弯曲河流多尺度湍流结构动力演化机理研究

This subject studies the multi-scale turbulent structures in a meander open channel by nonlinear river mechanics theory. In the sufficient turbulence, the coherent vortex structure was considered as a kind of disturbance in order to derive the nonlinear turbulent mechanics in natural coordinate system using hydrodynamic stability theory and perturbation method. The velocity profile including basic flow and high-order flow, perturbated correlative quantity such as vorticity and disturbed velocity are calculated to study the effect of crooked degree on the transverse distribution of turbulent structure. The nonlinear turbulence mathematical model would be established. The disturbed growth rate, vorticity field and streamline are calculated using the mathematical model to study the evolution of the coherent vortex. The hierarchical scale of coherent vortex in different flow conditions would be studied. The contribution of different scale turbulent structures on the development of the curved channel are evaluated combined with the evolution of the vortex and the large-scale turbulent eddy structures adapted to a meander are investigated. This work will favorable to improve turbulence model and serve as a foundation to theoretically further study the bed form and plane configuration of meandering rivers.

本项目采用非线性河流动力学模式研究弯曲河流中多尺度湍流结构动力演化机理，将大尺度拟序涡体结构看作是一种扰动波，采用流动稳定性理论与摄动法导出河流自然坐标下的弯道湍流运动非线性理论模式，计算弯道湍流基本流与高次流的流速剖面、涡量与扰动流速等湍流拟序扰动相关量的形态特征，研究弯曲度对湍流结构横向分布的影响。建立弯曲河流湍流动力计算数学模型，应用该模型为工具，计算不同尺度涡体的扰动波增长率及涡量场、流线的分布，研究弯曲河道拟序涡体的演化规律。探讨弯曲河道中不同水流条件下湍流拟序涡尺度分级情况，结合涡体的演化特征评价不同尺度涡体对弯道形成的贡献，研究大尺度湍流结构与河湾自适应、互选择性等。通过本项目研究，可望从理论角度寻找控制河流形状且与弯曲河流自适应的"弯道造床涡体"，为完善弯道湍流模式做出贡献，也可为进一步研究弯曲河流"点沙坝"和"自由沙坝"等河势单元形态形成打下理论基础。

弯曲河流为一个非线性系统，系统的非线性会使河流呈现出自身固有的特征，河道水流内部存在的多尺度湍流结构对弯曲边界特征的响应是弯曲河流的固有特征。我们针对弯曲河流的这种特征进行了深入研究。首先采用流动稳定性理论导出常曲率弯曲河流自然坐标下的湍流运动非线性方程，计算常曲率弯道湍流基本流与二次流的流速剖面、涡量与扰动流速等湍流拟序扰动相关量的形态特征，研究某一特定的弯曲度对湍流结构横向分布的影响，作为变曲率湍流拟序结构动力演化的基本流；建立了变曲率湍流运动非线性方程，应用该模型为工具，以波数作为衡量涡体尺度的参数，计算不同尺度涡体的扰动波增长率、稳定中性曲线及雷诺数变化等特征值，从力学角度解释了弯曲河道波长与河宽的经验关系，该式反映了内在的力学机理，在这一条件下，弯曲河道内大尺度紊流结构保持性、稳定性较好，是塑造河流的主要动力，可视为弯道的造床涡体；针对连续曲率强弯水槽湍流特性，设计了三个波长的正弦派生曲线连续曲率弯道，观测弯道湍流的断面湍流结构及其频域特征，结果表明：弯顶断面分别在靠近凹岸上部和凸岸下部形成两个大的环流，二者分别有凹岸上环流和凸岸下环流经弯曲作用发展而来，相邻两弯环流对强弱的相互转换，使得曲率为零的过渡断面附近流场急剧变化，流体微团发生急剧的旋转变形。