稀疏冠层上湍流的标度律与动力学

使用直接数值模拟研究了稀疏冠层内部及上方的湍流流动。我们关注冠层对背景湍流的影响，即滤除单元诱导流动后剩余的流动部分。在槽道流中，总应力的分布随高度呈线性。在光滑壁面上，总应力仅为“流体应力” $\tau_f$，即黏性应力与雷诺切应力之和。而在冠层中，则存在来自冠层阻力的额外贡献，其在冠层内部可能占主导。我们发现，对于稀疏冠层，即便在冠层内部，$\tau_f$ 中黏性应力与雷诺切应力在各高度上的比例也与光滑壁面上相似。由此，提出了一种基于 $\tau_f$ 的随高度变化的标度律。利用该标度律，冠层内的背景湍流与光滑壁面上的湍流表现出相似性。这表明背景湍流以 $\tau_f$ 标度，而非基于总应力的传统标度。当将冠层替换为仅作用于平均速度剖面、旨在产生正确 $\tau_f$ 的拖曳力，且冠层单元不直接作用于脉动时，这一效应基本上被捕捉到。所提出的仅均值强迫相比于传统的均匀拖曳模型，对湍流脉动能给出更好的估计。因此，本文结果表明，稀疏冠层主要通过其对平均速度剖面诱导的改变来作用于背景湍流，后者进而设定了湍流的标度，而非通过冠层单元与脉动的直接相互作用。然而，单元诱导流动的影响需要表征各个冠层单元。