浸没式植被对异重流运动特性的影响

为研究异重流流经浸没式植被时的运动特性,以天然河道中的植被为原型,对植被环境中异重流的运动规律进行了试验研究,并采用异重流头部(最前缘)速度代表其运动速度.研究结果表明,异重流流经短植被群(长度30 cm、高度3 cm)时大部分异重流在植被顶部向前运动,流过植被后依然保持典型轮廓,呈现一个先加速、后匀速、然后迅速减速、最后缓慢线性减速的运动过程;流经长植被群(长度80 cm、高度6 cm)时大部分异重流被阻挡于植被后方,仅有少部分异重流流出植被后缓慢向前运动,呈现先加速、后匀速、然后迅速减速、最后缓慢运动的过程.异重流运动过程分为坍塌阶段和自相似阶段,植被的阻挡效应可以减小坍塌阶段向自相似阶段的转化点,并且转化点与植被阻挡效应呈负相关,但与异重流浓度关系不显著.异重流与环境水体掺混界面涡度值为正,与水平底床界面涡度值为负;当植被的阻挡效应较强时,异重流流出植被后掺混和卷吸作用较弱,且出流量与异重流浓度呈正相关.

线性层结环境和浸没式植被对斜坡异重流运动的影响

开展一系列开闸式斜坡异重流水槽实验,分析线性层结和均匀水体中斜坡异重流遭遇刚性植被群的发展和演变特性.采用彩色数码相机记录异重流发展过程,并利用粒子图像测速技术(PIV)获取局部流场结构.结果表明:对于有植被工况,异重流的头部速度可分为加速、减速、二次加速及二次减速4个阶段.各阶段之间的转变位置随层结度增大而前移,但受植被密度影响不明显.在层结环境中,受植被群影响,异重流会出现“首次分离-前进-二次分离”现象.植被群削弱异重流涡度场的发展,随植被密度增大,该差异愈加显著.层结水体和植被群均会抑制异重流涡度场的发展,其中层结水体的抑制作用更强.

刚性非浸没式植被对弯道水流特性的影响

该文采用180°U形矩形截面弯道玻璃水槽模拟天然弯道河流,运用声学多普勒流速仪(acoustic doppler velocimeter,ADV)研究刚性非浸没式植被(密度4.47%)对弯道水流纵向流速分布,横向环流及湍流动能(turbulence kinetic energy,TKE)的影响。实验结果表明,当水槽流量较小时,植被对水流的阻碍作用较小,由流速降低而导致的水深增加现象不明显,当水槽流量增大时候,植被对水位的抬升现象明显;水流受植被"阻滞"作用,弯道处纵向流速沿水深分布不再服从"对数型"分布规律,且原本水流受弯道作用后呈现的"上减下增"效果也消失;植被加快了最大流速区向凸岸转移,到达弯道出口时,最大流速区逐渐转移至断面中部区域;在植被的影响下,各断面弯道环流消失;植被会加剧水流紊动效应,导致湍动加剧,TKE增大。上述实验结论将增进研究者对植被对弯道水流特性影响的理解,同时也为泥沙疏浚,河道生态系统恢复提供指导。

浸没及非浸没刚性短植被群对异重流运动特性的影响

利用一系列开闸式异重流水槽实验,研究不同刚性植被密度和高度的短植被群对异重流运动的影响.通过高速摄像机拍摄异重流的运动过程,利用粒子图像测速技术得到局部流场结构.结果表明:异重流在流经短植被群时,存在半椭圆形和三角形两类轮廓;运动过程分为坍塌阶段和自相似阶段,并且植被可以显著促进异重流从坍塌阶段向自相似阶段的转换,但对坍塌阶段的头部速度影响不显著.当无量纲植被高度(植被高度与水深比值)为0.21,植被密度为18.0%时,异重流会同时沿着植被上方及植被间运动,植被上方的异重流密度较植被内大,因此会产生瑞利-泰勒不稳定性.此外,异重流在植被区域流动的掺混系数随头部位置而递减,且较无植被情况小.在流入浸没式植被后,异重流会以植被顶部为新的"底部边界",形成负涡度带,但植被顶端的异重流仍与环境水体发生掺混形成正涡度带.植被会减缓异重流运动速度,进而降低正涡度带的强度,并且植被密度与正涡度的抑制程度成正相关.

弯道对植被群河道水流结构影响的试验研究

为了解弯道对含植被群河道水流结构的影响,本文在180°U型弯道水槽中进行试验,采用圆形竹筷模拟低密度植被群,圆柱体模拟高密度植被群,运用声学多普勒流速仪测量三维流速,不同密度植被群放置于水槽相同位置,对比分析弯道的影响。试验结果发现,植被群上游调整长度及其稳定尾流区长度受弯道影响发生了明显调整,植被群密度的影响仅作用于植被群尾流结构,包括其中垂向湍动能的差异。植被群后出现植被群直径尺度的涡,使纵向湍动能分布出现波峰,峰值大小受弯道影响;植被群在弯道中所处位置越后,峰值越小。湍流谱分析中验证了此现象,并发现弯道作用使得植被群后小尺度涡增多,从而使得植被群后较小湍动能峰值的大小不随植被群放置位置改变。

浸没式人工刚性植被群分布对弯道水流特性的影响

自然弯曲河流中,浸没式植被的存在及分布会改变其水动力特性,进而影响弯曲河道泥沙输移及底床变化。该研究采用180°U形折叠往返式水槽模拟天然弯道河流,木棒模拟刚性植被,运用声学多普勒流速仪(AcousticDoppler Velocimeter, ADV)进行测量,分析不同人工浸没式植被的分布对弯道纵向流速分布、湍流动能(Turbulence Kinetic Energy,TKE),环流强度以及湍流谱分布等的影响。实验结果表明,在植被顶部出现流速的最大值。浸没式植被和弯道都会加剧水流紊动效应,湍流动能最大值出现在植被顶部稍往下区域,且进入弯道以后最大值的位置明显下移。不同的植被群分布使得湍流动能的分布情况不同,凸岸植被减小了无植被区(凹岸)的湍流动能,而凹岸植被增大了无植被区(凸岸)的湍流动能。浸没式植被的存在使得植被区和无植被区的弯道环流方向相反。此外,通过湍流谱分析,植被和弯道都会增强湍流强度,且小湍涡增多;植被与无植被的交界区(横向和垂向)都会增加水体之间的掺混,使得湍流在交界区域明显变强。

非浸没式刚性植被群分布对弯道水流的影响

为分析不同刚性非浸没式植被群分布对弯道水动力特性的影响,采用180°U形折叠往返式水槽模拟天然弯道河流,运用声学多普勒流速仪(ADV)进行测量,通过测量数据计算弯道水流水位、纵向流速分布、湍流动能(TKE)、环流强度以及弥散系数等.结果表明:植被存在情况下水位增高,在植被的“阻滞”作用下,植被区的流速远小于非植被区的流速,但在植被区域和非植被区域之间产生大的流速梯度;植被和弯道都会加剧水流紊动效应,植被区和非植被区交界处的湍流动能最大,且沿弯道出现湍流动能的重分布现象;由于植被对于弯道环流有阻碍作用,使得弯道环流在非植被区很强,而在植被区很弱;植被对横向弥散系数影响较小,非均匀植被对纵向弥散系数影响较大.