Mixing layers and coherent structures in vegetated aquatic flows

边界层 拉格朗日相干结构 阻力 涡流 混合(物理) 湍流 平流 不稳定性 唤醒 拐点 流量(数学) 机械 地质学 大气科学 物理 几何学 热力学 量子力学 数学
作者
Marco Ghisalberti,Heidi Nepf
出处
期刊:Journal of Geophysical Research [American Geophysical Union]
卷期号:107 (C2) 被引量:631
标识
DOI:10.1029/2001jc000871
摘要

To date, flow through submerged aquatic vegetation has largely been viewed as perturbed boundary layer flow, with vegetative drag treated as an extension of bed drag. However, recent studies of terrestrial canopies demonstrate that the flow structure within and just above an unconfined canopy more strongly resembles a mixing layer than a boundary layer. This paper presents laboratory measurements, obtained from a scaled seagrass model, that demonstrate the applicability of the mixing layer analogy to aquatic systems. Specifically, all vertical profiles of mean velocity contained an inflection point, which makes the flow susceptible to Kelvin‐Helmholtz instability. This instability leads to the generation of large, coherent vortices within the mixing layer (observed in the model at frequencies between 0.01 and 0.11 Hz), which dominate the vertical transport of momentum through the layer. The downstream advection of these vortices is shown to cause the progressive, coherent waving of aquatic vegetation, known as the monami. When the monami is present, the turbulent vertical transport of momentum is enhanced, with turbulent stresses penetrating an additional 30% of the plant height into the canopy.
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