有限水域近水面气流演化特征试验研究

摘要

气流作为湖泊、湿地等有限水域的主要驱动力之一,其演化特征是研究水—气间能量与物质传递的基础,决定了水域水环境与水生态格局,具有重要研究意义.采用室内风洞水槽,通过设置不同试验风速,研究近水面气流与风速和吹程的响应关系与演化特征,并将光滑壁面条件下的气流特征作为试验对照组,分析时间域内风速垂向分布形式、摩阻风速、特征粗糙度等变化规律,剖析频率域内风速的主频变化与波致气流边界层厚度等参数的分布特征.结果表明:近水面时均风速符合对数分布,摩阻风速与特征粗糙度均与风速呈正相关,且同等风速与吹程条件下两者均大于光滑壁面条件,波致气流边界层厚度与风速和吹程均呈正相关.分析了采用风速作为气流动力参数存在不妥的原因,认为采用摩阻风速或切应力作为气流动力参数更具合理性,基于前人研究数据的统计分析,给出了特征粗糙度与风速、吹程和水深的回归关系式.探讨了气流—风浪“同频率”的互馈模式,发现波致气流边界层厚度不只与波长有关,还受波高、波周期和水深等多因素影响,建立了考虑风浪非线性特征的波致气流边界层厚度关系式.