植物冠层“麦穗”波动-水流大涡紊动耦合作用下河流紊动特征和阻力特性

The form-induced resistance of the submerged vegetation in ecological system of river reduces the flow velocity in the canopy. The two layers of flow with different velocities in and above the canopy induce large scale vortices, i.e. the Mixing-Layer vortices. The top part of the flexible vegetation canopy exhibits the 'Monami' phenomenon in the range of Mixing-Layer vortices, and develops with it simultaneously. The 'Monami' wave disturbs the energy transport process of the Mixing-Layer vortices, resulting in anisotropic turbulence characteristics in the inertial sub-layer of the spectrum based on the wave number coordinate, and diverting from the -5/3 Kolmogorov spectra profile. Therefore, the characteristics of turbulence and resistance of flow change essentially. This project will conduct a series of indoor experiments, combining with the field observation in ecological river; identify and extra the 'Monami' signal of the vegetation canopy from the flow fluctuation; analyze the variation feature and anisotropic evolution performance of the spectrum of the 'Monami' wave and the Mixing-Layer vortices; reveal the mechanics of the coupling action between the 'Monami' and the Mixing-Layer vortices and the characteristics of turbulence and resistance of river flow; propose determining methods for turbulence dissipation rate and drag coefficient. The result of this project will supply a fundamental theory for environmental fluid mechanics and the ecological projects for river recovery.

河流生态系统中淹没植物冠层的形态阻力使其内部流速明显降低，冠层内、外不同流速水体的混合作用诱发水流大尺度紊动，即混合层紊动大涡。柔性植物冠层顶部在水流混合层紊动大涡的作用下产生著名的"麦穗"波动，该波动在冠层-水流交界区直接进入混合层紊动大涡，与其交叉重叠共同发展，通过能量干扰破坏其波数域内紊动能谱惯性子区各向同性特征，使其偏离科莫格罗夫-5/3谱型，从而使水流紊动特征和阻力特性发生本质变化。本项目针对该问题，开展系统的室内试验，结合现场测量验证，在波数域内准确识别和提取冠层"麦穗"波动信号，分析冠层"麦穗"波动能谱特征、水流的三维紊动能谱谱型变化及其各向异性演化特征，深入揭示冠层"麦穗"波动与混合层大涡紊动耦合作用下水流紊动特征和阻力特性变化机理，提出紊动耗散率及拖曳系数的垂向分区确定方法，为河流健康生命的维护及其生态治理提供必要的水动力基本理论和实际工程指导。

本项目的研究目标是针对河流生态系统中柔性淹没植物冠层“麦穗”波动与水流混合层大涡紊动耦合现象，探讨其耦合作用机理，并进一步分析该机理作用下的水流紊动特征及阻力特性，为河流的生态修复、管理和维护提供理论支撑和实践指导。本项目的主要研究内容分为四大部分：（一）水流中植物冠层“麦穗”波动的信号采集和特征分析；（二）柔性淹没水生植物冠层“麦穗”波动-水流大涡紊动耦合作用机制；（三）该机制下河流的紊动特征以及；（四）阻力特性。所取得的重要研究结论为：（1）采用自行研制的专用高精度PIV采集植物冠层“麦穗”波动信号，精确获取了植物冠层柔性波动和水流紊动共振的关键特征——频谱特征：当二者能谱的低频部分协调一致，即发生共振现象，此时植物冠层出现规律性的“麦穗”波动，该波动与水流混合层紊动大涡强烈耦合。（2）在上述“耦合”作用下，水流紊动能谱偏离-5/3幂率律，向-4/3幂率偏移，各项异性特征明显增强。（3）水流紊动能谱变化特征与植物冠层“麦穗”波动的3个临界频率相关。在0.31赫兹主频“麦穗”波动下, “麦穗”波动导致水流时均流速减缓，紊动总能量增强；在低频区间，水流紊动能量增强；在惯性区间，紊动能量增强；在高频区间，紊动能量减弱。在0.35赫兹主频“麦穗”波动,水流紊动总能量保持基本不变；在低频区间，水流紊动能量减弱；在惯性区间，紊动能量保持；在高频区间，紊动能量增加。在0.28赫兹主频“麦穗”波动下,水流紊动总能量减少；在低频区间，水流紊动能量增强；在惯性区间，紊动能量减弱；在高频区间，紊动能量基本不变。（4）“麦穗”波动情况下，水生植物的柔性变形是控制河流阻力的优势敏感特征。河流的拖曳系数与反映植物柔性变化的经过长细比修正的柯西数呈确定的函数关系，河流的总阻力系数——曼宁系数也与该柯西数的二次方呈确定的函数关系。上述研究成果对于我国河流生态修复工程具有重要理论支撑和实践指导意义。