含植物明渠流动分区及特征尺度研究

Vegetation is an essential element in most natural and ecological rivers. Its biological characteristics affect turbulent structures of the river significantly. Different from conventional open channel flows, there still are no universal expressions of the turbulent statistical properties in vegetated open-channel flows. This is due to the strong inhomogeneity of flow along the vertical direction, and thus we need to partition the flow into different sub-regions, and then based on the type and characteristics of each region to select appropriate characteristic scales of sub-regions to normalize the turbulent statistical properties for the universal forms. This study plans to use flume experiments combining with theoretical analysis to explore the sub-division, length scale and velocity scale of vegetated open channel flows. We will utilize Particle Image Velocimetry (PIV) and Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) to measure the vortex structures and flow parameters, to determine the flow sub-division and the boundaries for each sub-region. According to the turbulent characteristics, we will determine the flow regime of each zone. Based on the flow types and the experimental results, the length scale and velocity scale of turbulence will be confirmed. This study is expected to obtain the universal expression of turbulent statistical properties of open channel flow with vegetation, enrich the turbulent theory of open channel flow with large scale roughness, and provide the scientific basis for river ecological restoration engineering.

植物是生态河流必不可少的要素之一。植物的存在，改变了河流中的紊流结构，对于含植物明渠紊流统计特性的描述，至今未有公认的、统一的表达形式。这是由于流动沿垂向存在较强的不均匀性，需要对流动进行分区，根据各区流动类型和特点，选取各自合适的流动特征尺度，才能对紊流统计特性进行有效无量纲化来得到普适形式。本研究拟采用水槽实验结合理论分析，对含植物明渠的流动分区和紊流统计特性的长度尺度、速度尺度进行研究，采用PIV技术测量流场涡结构，采用ADV技术测量流场参数，基于涡结构和紊流参数分布规律，对流动进行分区并确定流动分区界限；基于各区的紊流结构特点，确定各区流动类型；根据各区流动类型相应紊流理论，结合本研究实验结果，探究各区长度和速度尺度。本研究有望进一步获得含植物明渠紊流统计特性的普适表达形式，丰富大尺度糙元作用下的明渠紊流理论，并为河流植物生态修复工程实践提供科学的依据。

植物条件下的明渠流动，由于流动沿垂向存在较强的不均匀性，流动特征尺度沿水深应有较大差异，因此需要对流动进行分区，在不同的流动区域，为长度和速度选择相应的流动尺度，借助这些合适的特征尺度将紊动特征量进行有效的无量纲化，才能得到普适规律。本研究主要从紊流拟序结构，紊流统计特征参数的分布规律以及紊流能量平衡三个方面，对流动分区和特征尺度进行了研究。主要研究内容和结论有以下三个方面：一、运用流动显示技术对流场中紊流拟序结构进行了研究，根据植物区与非植物区所存在的不同拟序结构特点，将流动沿垂向分为植物内层区、植物顶部附近区以及植物外层区三个区域：（1）植物内层拟序结构主要表现为弱猝发现象与尾流的综合作用；（2）植物顶部附近拟序结构复杂多变，存在以喷射及清扫为主的猝发过程，也存在自由混合层中大涡配对及合并的现象（3）植物外层与明渠外区拟序结构类似，表现为涡体拉伸及紊流的间歇性。二、借助声学多普勒流速仪（ADV）进行流动测量，并通过理论分析，提出并得到了表观特征尺度，以最大程度地统一不同实验条件下紊流统计特性参量分布的共性规律。基于紊流统计特性参量分布规律及涡结构，得到流动四区分布。流速、雷诺应力、紊动强度分布均分为四个区域，且分区界限表现出较强的一致性，与涡结构具有较好的对应性，可在一定程度上反映流动分区。流动四区分布为：近床面区（壁面剪切紊流、尾涡）、中间Ⅰ区（KH涡、尾涡）、中间Ⅱ区（KH涡）、自由水面区。三、通过紊动能变化率分布，研究KH涡、尾涡紊动以及植物对KH涡的破碎作用，并沿水深进行流动分区，将含淹没植物的明渠流动自下向上划分为近床面耗散区、紊动生成区和紊动平衡区等3个子区域，各区域范围受淹没度和植物排列密度共同影响。