不同流体介质湍流输沙的共同规律与特性研究

湍流输沙现象普遍发生于地表水环境（水沙运动）和大气环境（风沙运动）。近半个多世纪关于水沙和风沙运动的研究取得了显著进步，为实际工程应用提供了科学基础。然而，迄今对水沙和风沙运动的共同规律和特性的认识还远未清楚，制约了湍流输沙基础理论的发展。本项目建立湍流输沙耦合积分模式，以统一描述不同流体介质湍流、泥沙和床面之间的相互作用；将关于水沙运动的挟沙力和多重积分时间尺度概念推广至风沙运动，研究风沙运动的挟沙力和积分时间尺度特征，揭示不同流体介质影响泥沙运动的机理以及非定常湍流输沙挟沙力概念的近似适用条件。本项目所研究的湍流输沙代表一类典型的多组份、多过程、多尺度流动，是环境流体力学领域的重要科学问题；水沙和风沙动力学的交叉、渗透与融合有利于增进对湍流输沙物理机制的理解和基础理论的发展，具有重要的科学意义和明确的应用前景。

水沙与风沙运动是两类典型的多组份、多过程、多尺度的湍流输沙现象，是环境流体力学领域的重要科学问题。本项目研究这两类不同流体介质湍流作用下泥沙运动的共同规律与特性，圆满完成了计划研究内容，实现了预期的研究目标。首先，对冲积河流过程多重时间尺度开展了深入研究，对饱和与非饱和泥沙数值模型进行了直接的比较研究，并对冲积河流水沙运动恢复饱和距离进行了数值模拟研究。这一系列研究一致表明：推移质泥沙运动能够很快地调整到与当时当地水流条件相适应的挟沙力状态，饱和模型能够近似地适用于推移质输移数值模拟；而悬移质运动向挟沙力调整需要一个相对较长的过程，正确地模拟悬移质输移，必须采用非饱和模型。其次，对风沙运动挟沙力规律进行了深入研究。通过对不同条件下的风沙流开展风洞和野外测试，获得较为准确和全面的实验数据；通过理论分析及数值计算，研究不同条件下风沙流的输沙通量沿高度方向分布，获得了挟沙力的一致性规律。实测数据表明，脉动风速对输沙率具有重要影响，需要在输沙率预测公式中予以考虑。研究获得了可用于计算风沙流输沙率的基本数据和拟合公式参数，并提出了考虑湍流风场脉动特性的风沙流输沙率预测公式。为揭示水沙与风沙动力学的共同规律与特性，将明槽水沙运动多重时间尺度理论扩展至风沙运动，提出水沙与风沙运动统一深度积分模式，比较研究了风沙与水沙运动向平衡状态调整的时间尺度特征。结果表明，风沙运动与水沙运动类似，推移质能够很快地调整到平衡状态，而悬移质调整到平衡状态则需要相对较长的过程，在湍流悬移质实验和数值模拟研究中应考虑恢复平衡过程的影响。同时，对相同初始条件下两种流体介质输沙进行直接数值模拟研究。结果表明，沙粒跳跃轨迹长度和高度有很大差别。本项目研究成果主要发表在相关学科国际主流学术期刊上，其中SCI收录论文7篇，国际学术大会特邀报告1次，培养博士研究生5人，硕士研究生2人。本项目部分成果已经开始应用于对水沙工程问题的研究。