层结水体中刚性植被对异重流动力特性的影响

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本文利用“双缸法”于开闸式水槽中生成线性层结水体,并开展一系列盐水异重流实验,借助彩色数码相机和粒子图像测速技术(PIV)对异重流沿不同底坡遭遇刚性植被群的发展和演变特性进行研究。主要研究成果和结论如下:
  1.在层结水体中,受密度差驱动减小影响,异重流头部速度减小;平坡异重流于尾迹区域呈现不同深度的“指状”入侵体。当层结度S>1.00时,斜坡异重流分为加速、减速、分离三个阶段;当异重流通过浸没式植被时,形成瑞利-泰勒不稳定,坡度的增加促使异重流头部“分裂”,故有两次自底床分离的过程;与无植被工况对比,植被使异重流延迟分离;同一坡度工况下,浸没式植被工况下的异重流分离深度大于非浸没式;随植被密度和坡度的增加,异重流的最终分离深度增大。
  2.层结水体对异重流掺混有抑制作用;当植被和层结水体共存时,异重流上界面涡度随植被密度增加而减小,下界面涡度则略有增大,坡度增加会弱化下界面涡度。
  3.基于动量方程和质量守恒定律,引入层结因子,对层结水体中平坡异重流于非浸没式植被阻力阶段头部速度计算公式进行了理论推导;基于量纲分析法建立异重流通过植被后最终分离深度的计算公式。
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