非均匀泥沙输移的基础理论

非均匀沙输移机理是泥沙运动力学的核心内容与重要科学问题，也是河流工程泥沙研究中面临的主要技术难题。目前广泛采用的质点动力学与宏观守恒律两种研究方法难以反映跨尺度、多物理过程综合作用下的非均匀沙输移机理，而分别突出微观个体与宏观特性的这两种传统研究体系又难以有机沟通与融合。本项目在机理层面，基于先进的DPIV/DPTV示踪量测技术，通过精细水槽实验分析颗粒在湍流中的相干过程与运动机理，揭示非均匀颗粒运动的耦合机制；在理论层面，通过动理学理论中的Boltzmann方程搭建联系微观的单颗粒运动与宏观的颗粒群输移特性的桥梁，建立体现跨尺度"个～群"运动特性的非均匀沙运动的动理学理论体系；在应用层面，依据泥沙运动的动理学理论，解析不同粒径泥沙的输移特性，得到非均匀沙推移质输沙率、悬移质挟沙力、冲淤过程中床沙级配调整等关键参量及过程的定量关系，为实际应用奠定基础。

非均匀沙输移机理是泥沙运动力学的核心内容与重要科学问题，也是河流工程泥沙研究中面临的主要技术难题。目前广泛采用的质点动力学与宏观守恒律两种研究方法难以反映跨尺度、多物理过程综合作用下的非均匀沙输移机理，而分别突出微观个体与宏观特性的这两种传统研究体系又难以有机沟通与融合。.本项目在机理层面，基于先进的ADV/DPIV示踪量测技术，通过精细水槽实验分析了颗粒在湍流中的相干过程与运动机理，揭示了非均匀床沙间的相互作用对泥沙起动的影响，阐明了泥沙起动中的三种不同耦合机制；分析了不同水流条件下的床面粗化过程和分形特征，进而提出了一种新的床面有效糙度的计算方法，该方法反映了地形变化和地形表面糙度变化的影响。.在理论层面，通过动理学理论中的Boltzmann方程搭建联系微观的单颗粒运动与宏观的颗粒群输移特性的桥梁，建立体现跨尺度“个～群”运动特性的非均匀沙运动的动理学理论体系，包括建立了挟沙水流的两相浑水模型和弥散速度的本构关系，得到了速度分布函数的近似解，这为后续的应用提供了理论基础。.在应用层面，依据泥沙运动的动理学理论，对于推移质，得到了反映剪切影响的动摩擦系数的表达式，这为能量耗散的分析奠定了基础；推导了推移质单颗粒的速度分布，模拟计算了推移质颗粒的扩散特征；建立了基于动理学理论的推移质输沙率公式，结果表明，无论输沙强度的高低，得到的推移质输沙率都能够与实验数据相吻合。悬移质方面，推导了基于PDF模型的泥沙起悬概率；建立了泥沙输移的弥散方程；分析了浑水速度和垂向泥沙浓度的分布规律，计算结果与实验数据吻合地较好；在此基础上，分析了泥沙的悬浮机理以及颗粒惯性对泥沙悬浮的影响，结果表明，泥沙颗粒的悬浮在本质上是由三种作用共同影响的结果，即浑水紊动扩散作用、颗粒紊动自扩散作用和颗粒碰撞扩散作用，而随着颗粒惯性的增大，后两种作用愈发明显。