基于PIV的茎秆倒伏角度对坡面薄层流水动力学特性的影响

摘要

[目的]坡面植被在水流冲刷或风力等外力作用下，易发生不同程度的倒伏，为探究植被倒伏角度对坡面薄层流水动力特性及侵蚀冲刷过程的影响。[方法]利用亚克力圆柱体模拟植株茎秆，开展室内水槽冲刷试验，设置6组倒伏角度（45°、75°、90°、105°、135°、150°）与3组流量条件（0.23、0.52、0.76 L/s），采用高频粒子图像测速系统（particle image velocimetry, PIV）捕捉流场图像并进行流场绘制，分析不同茎秆倒伏角度对流场特性、紊动特性与涡旋结构特征的影响。[结果] 1）茎秆存在导致其上游对称面处的水流流速发生改变，在近床面区域形成沿床面向上游与沿茎秆向下的负向流动区（x/D=-0.1至x/D=-0.4,y/D=0至y/D=0.4），且茎秆前倾与后倾均会削弱水流的负向流动。2）随水深增加，垂向流速的紊动强度先增大后减小，紊动强度最大值出现的位置均位于y/D=0.2附近，说明该区域涡旋微结构作用强烈。3）茎秆存在导致上游对称面处的马蹄涡（horseshoe vortex, HV）结构产生。由于茎秆前倾与后倾对下降流的削弱作用，随倾斜角度的增加，马蹄涡系统变得明显，涡量增大且逐渐向柱体靠近，在达到90°后继续倾斜，马蹄涡系统强度反而减弱。HV1的涡量随柱体倾角变化总体呈先增大后减小的“抛物线型”变化规律，涡量最大值90°>105°>75°>135°>45°>150°。[结论]综合表明，在坡面水流发展初期，倾斜植株茎秆能够在一定程度上减弱茎秆底部水流的逆向流动，抑制下降流的产生，削弱马蹄涡结构，进而减轻薄层流对床面的侵蚀，且茎秆倾斜程度越大，对土壤侵蚀的抑制效果越好。

关键词

坡面薄层流 / 倒伏角 / 流场 / 马蹄涡系统 / PIV