弯段分层流被波浪胁迫作用下扰动、失稳及破坏机制研究

弯段分层流被波浪胁迫作用下的分层流运动特性研究当前尚属空白，本次申请的项目旨在揭示弯段分层流在波浪胁迫作用下扰动、失稳、直至破坏的机制，剖析不同弯曲形态的弯段分层流异质水体间物质混合交换与波浪的不同特征参数之间的内在响应关系，阐明弯曲形态、弯曲强度、波浪要素、上下层流速比和密度比等对分层流交界面掺混强度、紊动能、耗散率、雷诺应力、摩阻系数以及垂向扩散率等的影响机理，并指出其与直道情形下的差异性所在。研究弯段分层流波浪诱发失稳的临界条件，以波浪要素、弯曲形态、弯曲强度、剪切流速比、密度差等，筛选出影响弯道分层流失稳的关键驱动因素，捕捉弯段分层流在不同关键驱动因子作用下交界面失稳情形，建立波浪诱发弯段分层流界面失稳的判据，提出弯段分层流受波浪胁迫作用下稳定性判据的经验公式，为探究复杂情形下分层流运动机制铺垫理论基石。

该项目针对弯段分层流在波浪作用下的运动特性开展研究，制作完成了直段、15度和45度不同弯段的温度分层流受波浪作用的物理模型，分别对直段、15度弯段和45度弯段水槽的流场特性和温度场分布进行了试验研究。试验水槽包括冷热水分层入流区，主体试验区和造波区三个部分，模型全长约12m，全部用有机玻璃制成；其中冷热水分层入流区中用0.2cm的薄玻璃钢分隔成上部的热水入流和下部的冷水入流，两者交会后进入主体试验区；波浪则由推板造波机制造。当完成一种角度的水槽试验后，可更换水槽主体试验区的弯段部分进行下一种角度弯段水槽进行试验；对每一种角度的波浪水槽设计了三种不同流速比，两种不同波浪强度和冷热水温度差共12种工况试验。每个工况量测了弯段前，弯段顶点和弯段后断面不同水深点处的流速，雷诺应力，波高，波周期，温度等；获得了温度场，速度场和波浪要素之间的关系。利用直段水槽研究了不同强度波浪扰动下的不同温度差和流速比的温度分层流中温度和流速的分布情况，分析得到了波浪对温度分层流破坏的主要机制；根据不同角度的弯段波浪水槽结果，利用多种分析方法分析了波浪和弯段共同作用下流场和温度场的分布和变化规律；得到了温度的趋势和周期等变化与波高、周期以及弯段角度相互间的关系。结合试验的研究成果，在比较分析基础上建立了波浪作用下弯段分层流的数学模型，对湍流模型进行了适当的改进和参数的修正，并进行了“数值试验”，对其它不同角度的温度分层流进行了模拟，进一步分析了各要素之间的相互影响关系，本项目的研究为掌握弯段分层流在波浪作用下运动特性提供了重要的科学理论依据。