渗流边界上紊流拟序运动及阻力与泥沙输送响应

Natural streams often comprise permeable boundaries in the form of sand particles and gravels. An essential and well-known feature of permeable boundaries is that mass and momentum transfer takes place across the interface between the fluid and porous media. In most cases, seepage velocity within the porous boundary is small in comparison to the free-stream velocity above the bed. However, this small seepage flow can significantly affect the structural features of the open-channel flow, resulting in changes to flow-resistance, sediment entrainment characteristics and morphology of the streambed. The principal objective of this study is to systematically and experimentally study the turbulent coherent structures and sediment movement with seepage by the use of flow visualization and PIV system, with the focus placed on the effects of seepage on the characteristics of turbulent bursting, the transition between laminar and turbulent, and the anisotropy of a turbulent boundary layer and flow resistance as well. This study will also aim at clarifying how the sediment movement and the coherent structure over the permeable bed interact and influence each other. The results are a key to success in river management, riverbank protection, near-wall flow control and drag reduction, at the same time are valuable for advances in mechanics of sediment transport and turbulence.

天然河道床面通常是由泥沙构成的透水边界，普遍存在着水体质量和动量交换--渗流。尽管渗流流速相比河道中明渠流流速很小，但却能够显著影响近壁明渠流结构，造成床面阻力、泥沙起动和输移以及床面形态的变化。本项目拟以渗流床面上紊流拟序结构和泥沙运动为研究对象，通过流动显示和粒子图像计算机处理相结合，综合分析渗流对紊流猝发过程、层流到紊流的转捩过程以及紊流各向异性特征变化的控制作用，揭示渗流作用下床面阻力变化机理，阐明床面粗糙度及床面形态在渗流影响紊流拟序结构中的贡献，并进一步根据可动床面试验查明不同泥沙运动模式与紊流拟序运动的交互反馈作用，解析床面渗流影响泥沙起动和输移的力学机制。本项研究不仅可以为河道管理、岸坡防护、流动控制和壁面减阻等提供关键技术和理论支撑，而且对泥沙运动力学和紊流学基本理论的完善有着重要的学术意义。

关于明渠流引入渗流后的水流运动规律以及紊动强度、泥沙输移、床面切应力等方面研究很多，但学者们的研究却存在着不同的结论。为探究不同渗流强度对明渠水流结构以及紊流拟序结构紊动特性的影响，通过自行设计的明渠紊流水槽及渗透装置，利用PIV粒子图像测速技术及声学多普勒流速仪（Vectrino+）测速技术进行脉动流速测量，初步了解渗流对明渠流水流特性影响的基本规律及如何影响紊流拟序结构特征。研究成果可进一步充实对渗流作用下的明渠水流结构机理的认识，并可以为河道管理、岸坡防护、流动控制和壁面减阻等提供关键技术和理论支撑。. 首先试验1利用PIV图像采集系统及数据分析软件，测量了水流流速并分析了水槽断面垂线流速变化与相对渗流强度的关系。结果表明：水流流速并不是渗流强度的单值函数关系，随着出河渗流强度的增加，水流流速呈先减小后稍有增加，又继续减小的趋势；入河渗流时流速变化趋势与出河相反；出河及入河渗流都有着拐点的存在，且对应的相对渗流强度与雷诺数相关，雷诺数越大，拐点出现时对应的相对渗流强度越小。. 试验2利用高级小威龙（Vectrino+）对同一断面不同水深处进行各脉动流速分量的测量，重点对近底流速进行测量分析，来揭示渗流边界层紊流拟序结构的特征。探讨了明渠水流的流向时均流速的垂线分布规律在引入渗流后的调整，分析了不同渗流强度对流向及法向时均流速分布的影响，以及流向和法向上的紊动强度、偏态系数及峰度系数的分布规律，进一步分析了不同渗流强度对紊流脉动流速间歇性以及拟序结构中喷射与清扫事件的影响。