明槽湍流输沙两相流模式研究

Turbulent flow and sediment transport in open channels represent a typical category of liquid-solid two-phase flows, which in general feature mass exchange with bottom boundary. To date, the understanding of the fundamental mechanism of the phenomena remains far from complete. In the depth-integrated models widely used for long and also the recently developed double layer-integrated models for such flows, the water-sediment mixture is exclusively treated as quasi-single-phase fluid, which essentially ignores the interphase interactions to a large extent. This Proposal aims to develop a depth-integrated two-phase flow model and a double layer-integrated two-phase flow model for turbulent flow and sediment transport in open channels, based on the mass and momentum conservation laws for each phase along with two-equation turbulent closure models for the liquid and solid phases respectively. The interphase interactions will be evaluated for a series of open channel flow-sediment processes, as the energy transfer in between the two phases. This project will contribute to the progress of the fundamental theory and enhanced understanding of the physical mechanism and therefore facilitate physically improved computational modeling of turbulent flow and sediment transport in open channels.

明槽湍流输沙是一类典型的液固两相流，通常与底部边界发生质量交换。迄今对明槽湍流输沙基本规律的理解远未完善；在长期以来普遍应用的深度（单层）积分模式和最近建立的双层积分模式中，水沙混合体被视作拟单相流体，在很大程度上忽略了水沙两相各自的运动特性及其相互作用机制。本项目将明槽湍流输沙中的液相水视作粘性流体、将泥沙作为固相连续介质，充分考虑水沙两相之间的相互作用力及其与底部边界之间的交换，基于质量和动量守恒律和湍流模式理论，分别建立明槽湍流输沙深度积分两相流模式和双层积分两相流模式；揭示水沙两相之间的相互作用机制以及水沙两相平均运动动能与湍动能产生和耗散之间的关系。该项研究将丰富水沙动力学基础理论，增进对明槽湍流输沙物理机制的理解，扩展积分模式的适用性。本项目研究的明槽湍流输沙代表一类典型的多组份、多过程、多尺度流动，是环境力学领域的重要科学问题，具有显著的科学意义和广阔的应用前景。

明槽湍流输沙是一类典型的液固两相流,通常与底部边界发生质量交换。迄今对明槽湍流输沙基本规律的理解远未完善;在长期以来普遍应用的深度(单层)积分模式和近年建立的双层积分模式中,水沙混合体被视作拟单相流体,在很大程度上忽略了水沙两相各自的运动特性及其相互作用机制。本项目将液相水视作粘性流体、将泥沙作为固相连续介质,充分考虑水沙两相之间和不同粒径组泥沙颗粒之间的相互作用力及其与底部边界之间的交换等基本物理要素,基于质量和动量守恒律,分别建立了明槽湍流输沙单层两相流模式和双层积分两相流模式，提出了有效的数值解策略和基于有限体积思想的数值计算方法。应用所建立的单层两相流模式，研究了泥石流高流动性与能量传递之间的关系及其两相流动力学机制。揭示了泥石流效率随初始体积、含水量和泥沙颗粒非均匀性以及床面侵蚀而增加的物理机制，并重构基于大量观测数据而提出的泥石流效率与初始体积之间的关系。应用所建立的双层两相流模式，研究了滑坡堰塞湖形成与溃决全过程水沙床演变及其动力学机制，揭示了滑坡初始（体积、非均匀组成）特征以及河槽形态与水流条件等对堰塞坝形成的影响机理。以2018年金沙江白格滑坡堰塞湖为实例，首次实现了全场全过程二维数值模拟重构，滑坡涌浪特性、堰塞坝形态、溃决洪水特征等数值模拟结果与观测数据符合良好。明确提出对于水沙交替驱动的水沙动力学过程，两相流模式是必要的。该项研究丰富了水沙动力学数学模拟理论,增进了对泥石流、滑坡堰塞湖形成与溃决等复杂水沙动力学问题的理解，具有显著的科学意义和应用前景。已发表SCI学术期刊论文4篇（中国科学院大类分区1区1篇，2区3篇），国际学术会议邀请报告3次，另已投稿（中国科学院大类分区2区）学术期刊论文1篇。