水沙输移过程的精细模拟

泥沙运动与水流的紊动现象有密切的关系,尤其在床面附近，水流脉动流速引起的扫掠和猝发是泥沙颗粒起动的重要影响因素。但由于条件限制，目前大部分的研究工作一般都以床面平均剪切应力或水流的雷诺平均流速作为泥沙起动及输运的水动力因素来建立泥沙运动方程的底边界条件。针对泥沙运动与水流脉动密切相关的特点、大涡模拟技术的发展水平以及发展前景，本研究拟构建基于大涡模拟技术的时空平均紊流模型平台，实现水流底部脉动流速的模拟；在原有实验基础上，对床面铺设规则和非规则泥沙颗粒后水流脉动流速变化进行观测，分析流速变化与颗粒起动的关系，并利用试验数据对构建的紊流模型进行率定验证；利用构建的数值模拟平台模拟计算模拟计算在床面存在泥沙颗粒条件下表面水流脉动流速分布规律，分析泥沙浓度脉动值对泥沙扩散系数等泥沙运动参量的影响，模化泥沙输移计算中的关键参数，推动水沙输移过程精细模拟技术的发展。

水流脉动流速对水沙输移有着重要的影响，但由于条件限制，目前大部分的研究工作一般都建立在雷诺平均应力模型基础上。由于大涡模拟自身的优势，三维大涡模型不仅能够反映时均的流速分布，紊动强度分布，还可以捕捉到流动中的紊动猝发，条带结构等拟序结构，反映涡体的发展变化和输运过程，从而可实现对水沙输移进行精细模拟。.因此本基金项目根据任务书要求，首先建立了基于大涡模拟技术的时空紊流模型平台，该模型以无量纲化的N-S方程为基础，雷诺数Re为主要影响参数，采用亚格子应力模型对水流的瞬时流动进行模拟。在求解方法上，采用结构网格的有限体积法进行离散，在壁面处理上，采用无滑移条件，在壁面附近第一个网格建立瞬时切应力和瞬时流速的关系。.根据建立的大涡模拟模型，利用弯道环流、丁坝扰流，从水面线变化、环流分布以及流速的垂向变化等方面对模型进行了验证。结果表明，本项目建立的紊流模型模拟平台，模拟计算值与实测值符合较好，能够较好的反映复杂条件下的水动力情况。.在实现水动力精确模拟的基础上，对构建的模型平台进行测试，加入河床粗糙度计算模块、泥沙输移模块，利用经典净冲淤实验数据，从泥沙浓度的三维分布对泥沙模块进行测试，结果表明，基于大涡模拟方法的水沙输移精细模拟模型能够很好的揭示泥沙浓度的沿程变化，不同断面的泥沙浓度垂向分布曲线与实测值均温和较好。.将此模拟模型进一步应用到复杂地形中，利用规则小球的不同排列，模拟了河床底部泥沙颗粒间水流的脉动分布，分析了不同排列的小球流速分布及其对物质输移的影响。.最后，对模型中某些关键参数的选取进行了室内试验，主要有水沙输移中泥沙沉降速度和起动流速的试验研究，得出泥沙颗粒受水体污染后物理特性的变化，及其对输移的影响。.利用本基金项目共发表论文7篇，其中SCI收录4篇，EI收录1篇，国际会议论文2篇，培养博士研究生2名。