综述：自然分层流中卷吸与卷出的见解与展望

《Applied Ocean Research》：Insights and perspectives on entrainment and detrainment in natural stratified flows

本综述系统梳理了自然分层流中卷吸（entrainment）与卷出（detrainment）机制的研究进展，重点探讨了障碍物对射流（jet）结构、混合效率及标量输运（scalar transport）的影响，为环境工程（如污染物扩散、沉积物输运）和大气边界层建模提供了新的理论框架和前瞻方向。

　　

1. 引言

卷吸与卷出是自然分层流动中两个核心的流体动力学过程。卷吸指环境流体被卷入湍流区域，而卷出则是流体从湍流区被排回周围介质。尽管卷吸研究自Taylor（1946）和Turner（1966, 1986）的开创性工作以来已较为深入，卷出过程，特别是在非浮力驱动的动量射流与障碍物相互作用的情境下，仍相对未被充分探索。传统上，卷出研究多集中于浮力驱动流，如积云形成或海洋中的分层流。然而，最新研究表明，在非浮力射流中，障碍物可通过产生类似分层效应的机制，引发卷出，从而改变传统的混合模式。

2. 典型自然分层流

自然水生环境（如湖泊、海洋）常因温度、盐度或悬浮颗粒物导致密度在时空上分层，形成温跃层、盐跃层和密度跃层。这些分层结构强烈影响水流和水质。混合过程需要能量输入（如风、潮汐），但大部分能量并未直接用于混合，而是转化为势能。根据混合程度，分层流可分为非混相密度分层流和混相浮力流，本综述聚焦于后者，强调卷吸与卷出的关键作用。

3. 卷吸概念的演变

卷吸概念由Taylor（1946）形式化，后经Turner等人发展，纳入密度梯度的影响。卷吸可定义为非湍流（通常无旋）流体被并入湍流区域的过程。其机制主要分为两种：在弗劳德数Fr>1的超临界流态下，大尺度相干涡旋（vortex）通过卷起和配对过程主导卷吸（涡旋卷吸）；而在Fr<1的亚临界流态下，浮力稳定化作用抑制涡旋形成，卷吸则由Holmboe波等界面波不稳定性主导（尖角卷吸）。卷吸系数α_e定义为卷吸速度V_E与主流特征速度V之比，其大小随弗劳德数和摩擦因子f_w变化。研究表明，对于亚临界流（尖角卷吸），通量理查森数R_f^T ≈ 0.045；对于超临界流（涡旋卷吸），R_f^T ≈ 0.18，此时V_E/V的量级约为O(0.1)。在颗粒流（如浊流）中，卷吸同样关键，影响自加速和沉积物输运。

4. 卷出：拓展传统框架

卷出传统上指湍流射流或羽流撞击分层界面时流体的排出过程，主要由潮汐速度梯度和斜压转矩驱动。近期研究揭示了障碍物在非浮力射流中诱导卷出的新机制。当射流与刚性植被、城市结构或机械屏障等障碍物阵列相互作用时，障碍物会产生类似分层的阻滞效应，导致射流动量损失，从而引发卷出。卷出系数（即负的卷吸系数）的表达式为α_e = (C_QC_b/(4x₀)) · (2 - C_Dax - C_Dax ln(x/x₀))，其中C_D为障碍物阵列的总体阻力系数，a为 frontal area per unit volume，x为流向坐标。实验表明，强射流可能先卷吸后转为卷出，而弱射流则持续卷出。粒子图像测速（PIV）和拉格朗日轨迹分析显示，在无障碍射流（EXP JU）中，粒子向射流中心线汇聚（卷吸）；而在有障碍射流（EXP JO）中，粒子因障碍物阻挡而向外发散（卷出），其路径更规则，障碍物起到了流线整直器的作用。

5. 环境与工程应用中的挑战、启示与未来方向

准确理解卷吸与卷出对于改进大气科学（如云发展、风暴动力学）、海岸海洋系统（如沉积物输运、营养盐混合）和城市水力学（如污染物扩散）的预测模型至关重要。当前主要挑战包括卷出率的量化、建立跨学科预测框架以及将实验室发现外推至真实自然环境。未来研究需结合先进测量技术（如PIV）和数值模拟，重点完善卷出模型，并评估近海结构（如风电场）对海洋生态系统和水动力连通性的影响。

6. 结论

卷吸和卷出是环境流体动力学中的基本过程。卷吸系数是表征湍流射流的关键参数。近期研究凸显了障碍物诱导的卷出在非浮力射流中的重要性，这挑战了传统湍流模型，并对污染物扩散、沉积物输运等应用领域的模型改进提出了新要求。未来研究应致力于细化卷出模型，整合多学科知识，以提升对复杂环境流动的预测能力。