紊流结构对沙波附近泥沙运动的影响机理研究

基于紊流结构制约作用的泥沙起动和悬浮运动的研究是泥沙运动力学的一个重要方向。沙波床面上的紊流结构有异于光滑床面的情况，在沙波顶部产生的边界层分离会在局部形成明显的压力梯度，成为导致下游床面泥沙颗粒发生跃移、悬移等上扬运动的重要原因。本课题拟利用粒子图像测速技术和图像处理技术，以水槽试验为主，结合理论分析，深入探索沙波床面附近紊流结构的生成、维持和演化过程及特征，揭示近底流区泥沙的运动规律，分析紊流结构对泥沙起动和输移运动的影响，探讨沙波上泥沙颗粒发生跃移、悬移等上扬运动的条件和运动机理。本课题在沙波水槽试验方法上具有一定特色，有望在沙波附近紊流结构和泥沙运动特征的研究方面取得新的成果，并为进一步探讨近底水沙相互作用机理、推移质和悬移质交换机制等提供基础。

沙波床面附近水流结构与泥沙运动特征是河流动力学及河床演变学研究的基础。本项目综合利用了粒子图像测速技术、声学多普勒技术和图像处理技术，通过水槽试验观测了不同水流条件下光滑床面、沙波床面附近水流结构特性和泥沙颗粒的运动特征，统计分析了近壁区推移质泥沙的运动规律和瞬时运动速度的概率密度分布，提出了可应用于输沙率计算的推移质时均运动速度公式，获得了与各种水流条件相应的沙波床面几何形态，建立了水流强度与典型波高、波长的关系式，描述了明渠沙波床面附近涡量场的特性，总结了床面形态对水流时均流速、紊动强度、雷诺应力、涡粘性、紊流动能产生项及脉动流速高阶矩分布特性的影响。通过对比研究明渠清水和挟沙条件下沙波床面附近的水流紊动特性，讨论了泥沙的存在对近底水流紊动的影响，分析了两种条件下脉动流速偏态系数和峰态系数分布特性的异同。本项目所取得的技术成果在沙波附近紊流结构和泥沙运动特征的研究方面有一定的新意，可以为深入研究天然河流近底水沙相互作用机理、沙波演化过程及动力机制等提供有益的借鉴。