Page 68 - 水利学报2021年第52卷第11期

的断面平均流速 U 为 0.091 m/s。相应的斑块尺度和茎秆尺度的雷诺数分别为 6370 和 328，对应于野
0
［1］
外真实植被水流中常见的雷诺数范围，Re =0~O（4000） 。由于本研究所用水槽较窄，在植被斑块所
d
在横断面，断面阻塞比为β=D/B=0.23，B 为水槽宽度。然而，根据 Sahin 等 ［13］ 以及 Kumar 等 ［14］ 的研究
结果，在此阻塞比时，水槽边壁对圆柱群后方的涡脱落几乎没有影响。

表 1 实验工况设置
工况名称 D7-02 D7-05 D7-10 D7-15 D7-23 D5-15
Φ 0.02 0.05 0.10 0.15 0.23 0.15
aD 0.47 1.31 2.43 3.66 5.69 2.65
d/D 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.07
h/D 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.40
H/h 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00

Re D 6370 6370 6370 6370 6370 4550
Re d 328 328 328 328 328 328

3 结果与讨论

3.1 水平面尾流特征 图 2 给出了植被斑块半高位置水平面的时均纵向流速分布，其中纵向流速 u ˉ
用上游来流的断面平均流速 U 无量纲化。从图 2（a）可以看出，当植被密度为 0.02 时，由于斑块内部
0
小圆柱之间间距很大，因此各小圆柱的尾流相互独立。同时，植被群落对来流的阻滞作用很弱，未
在斑块下游形成斑块尺度的尾流区，从而其下游的流速水平与来流接近。而当密度Φ≥0.05 时，植被
斑对来流的阻滞作用逐渐增强，圆柱群的整体效应开始显现。斑块尺度的剪切层在斑块两侧肩部产
生，且此剪切层沿主流方向发展并逐渐变宽，直到两侧剪切层相交并产生作用。在两侧剪切层中
间，形成斑块尺度的低流速尾流区。尾流区内的流速沿主流方向先降低，到达最小值后，再逐渐恢
复。对比图 2（b）—（e）可知，植被斑块近尾流区内的流速随植被密度的增大而减小。由于本研究所使
用的 PIV 系统测量视野较窄，因此未能在横向上包含整个尾流宽度范围。但依然可以看到，植被斑块
的尾流区宽度随植被密度的增大而增大，这主要是受斑块内逐渐增强的横向出流的影响。
图 3 给出了 z=0.5 h 水深处尾流中心线上的纵向时均流速沿程分布情况，阴影区域表示植被斑。
对于各工况，在柱群后方，纵向流速先略有上升，然后迅速减小，减小到最小值后，再逐渐增大，
直到流速恢复至来流水平。由于斑块下游的这个流速降低区域内时均流速和紊动都较弱，近似于层
流，因此 Zong 等 ［11］ 将其定义为稳定尾流区，并将植被群落后缘到纵向时均流速减小到最小值的纵向
位置之间的距离定义为稳定尾流区长度 L 。稳定尾流区的形成主要是受发源于斑块两侧肩部的剪切
1
层作用，其将从斑块两侧绕行的高速流动隔离在尾流区外，使得稳定尾流区内部能沿程保持较低的
动量水平。而当两侧剪切层发展到足够宽而相交并产生作用时尾流流速开始恢复，稳定尾流区结
束，也即，稳定尾流区的终点对应于剪切层相交的位置。同时，稳定尾流区内的顺流向流动也会反
过来抑制两侧剪切层的相交。图 3 中用箭头标识出了各工况对应的稳定尾流区的下游端点，可以看
出，稳定尾流区的长度随植被密度的增大而减小。这是因为，稳定尾流区内的顺流向动量主要来源
于植被斑块内部的顺流向出流，而顺流向出流的强度又与植被密度之间具有重要关系。值得注意的
是，对于 D5-15 工况，虽然其对应的植被密度与 D7-15 工况相同，然而它的稳定尾流区长度却明显
大于 D7-15 工况，反而与密度较小的 D7-10 工况接近，均为 2.1D 左右。这表明，植被群落的直径也
可能对其尾流结构具有重要的影响。
图 2 中还显示了各工况对应的平面二维流速矢量的分布，其中流速矢量箭头仅代表流动方向，不
表示流速大小。对于直径为 7 cm 的植被斑块，当密度Φ≥0.15 时，会像实心圆柱那样，在下游形成
一对回流区，回流区的中心大致对应于稳定尾流区的终点。然而从图 2（d）—（e）可以看出，本研究中

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