复式断面河弯多尺度环流和湍流结构及其输沙机理研究

复式断面河弯在冲积性蜿蜒河流中广泛存在，由于受河谷弯曲、主槽弯曲、滩槽动量交换的综合作用，存在多种尺度的二次环流，水流结构复杂。本项目拟研究主槽二次流、河谷二次流、滩槽二次流的内在结构，深入分析其尺度和量级特征，揭示其耦合作用机制；研究环流影响下各向异性湍流的拟序结构。研究工作从水槽试验入手，利用PIV和ADV等高精度仪器获得时均和脉动水流的可靠信息，提取不同尺度的环流分量，研究各种环流的单独贡献和复合机制；采用严格验证的数学模型，对主槽和河谷的不同组合形态，基于正交试验设计进行精细水流数值模拟，分析河槽形态对环流结构的影响规律；在多尺度环流结构量级分析基础上，放弃静压假定，建立考虑环流细节的理论模型，并针对不同应用环境进行边界简化和摄动求解，探讨环流和湍流共同驱动下的推移质泥沙起动及输移规律。项目研究将拓展河弯水沙运动研究领域，具有重要的工程应用价值。

复式断面河弯在冲积性蜿蜒河流中广泛存在，由于受河谷弯曲、主槽弯曲、滩槽动量交换的复合作用，存在多种尺度的二次环流，水流结构极为复杂，目前水沙运动机理认识仍然不足。本项目利用了物理模型实验、数值模拟和理论分析等手段，深入分析了主流、环流及湍流结构尺度和量级特征，揭示了其耦合作用机制；深入研究了环流影响下各向异性湍流的拟序结构，探讨了环流和湍流共同驱动下的推移质泥沙起动及输移规律。主要研究成果包括：建立了河弯演变理论研究的系统理论框架模式；基于有限体积法，建立了弯道水流运动模拟的全三维数学模型，并编制了一整套并行计算程序代码；弄清了弯道中的二次环流结构、湍流结构及断面形态、弯曲度等对其的影响机制；揭示了弯道中推移质泥沙起动、输移规律，并建立了相应的理论模型；开展了弯曲河道中水流-床面作用及河床演变规律实验研究；并初步开展了蜿蜒河流大尺度演变动力过程的研究工作。项目研究成果将丰富泥沙运动力学及河流动力学的内容，具有重要的理论意义和工程应用价值。