植物条件下明渠紊流KH涡相关问题研究进展

植物是生态功能完备的河流的重要特征,淹没植物条件下产生的特殊紊流拟序结构——KH涡,对水-沙-污染物运动具有直接影响。从KH涡的发现、形成条件、特征参数(形态特征参数和运动周期)三方面,回顾了国内外植物条件下明渠紊流KH涡相关问题的研究进展,总结了植物密度和淹没度对KH涡的影响规律,提出结合紊流不稳定性理论、紊流拟序结构分析方法、流动显示、图像技术来研究KH涡的形成条件(临界密度或临界淹没度)、沿程发展过程、影响因素(如植物密度、刚度、几何形态、淹没度、水流强度)的具体影响,是下一步需要探索的关键。

植物密度对明渠紊流拟序结构的影响研究

河道中淹没植物顶部附近的大尺度涡结构,影响着水体中的动量和物质交换,从而导致泥沙和污染物输移发生变化。基于淹没刚性植物条件下的水槽试验,利用粒子图像测速技术(PIV)对五种植物密度条件下的流场进行测量,分别用象限分析法和伽利略分解法,研究密度对植物顶部附近的猝发及KH涡垂向几何尺度的影响。研究表明:在试验条件下,植物密度增大会增强植物顶部附近的剪切作用,缩窄植物层内外动量交换的范围,抑制极端清扫作用对植物内部的侵袭。同时KH涡涡量增强,位置抬升,KH涡的垂向尺度总体增大,在密度较小的两种工况(0.09和0.18)时KH涡的垂向尺度较为接近,其值约为75~86 mm;密度为0.36时约为105~115 mm;密度为0.72和1.44时较为接近,在淹没度为4时约为114 mm,在淹没度为5时约为135 mm。