不同流體介質湍流輸沙的共同規律與特性研究

《不同流體介質湍流輸沙的共同規律與特性研究》是依託武漢大學，由曹志先擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：不同流體介質湍流輸沙的共同規律與特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曹志先
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

湍流輸沙現象普遍發生於地表水環境（水沙運動）和大氣環境（風沙運動）。近半個多世紀關於水沙和風沙運動的研究取得了顯著進步，為實際工程套用提供了科學基礎。然而，迄今對水沙和風沙運動的共同規律和特性的認識還遠未清楚，制約了湍流輸沙基礎理論的發展。本項目建立湍流輸沙耦合積分模式，以統一描述不同流體介質湍流、泥沙和床面之間的相互作用；將關於水沙運動的挾沙力和多重積分時間尺度概念推廣至風沙運動，研究風沙運動的挾沙力和積分時間尺度特徵，揭示不同流體介質影響泥沙運動的機理以及非定常湍流輸沙挾沙力概念的近似適用條件。本項目所研究的湍流輸沙代表一類典型的多組份、多過程、多尺度流動，是環境流體力學領域的重要科學問題；水沙和風沙動力學的交叉、滲透與融合有利於增進對湍流輸沙物理機制的理解和基礎理論的發展，具有重要的科學意義和明確的套用前景。

結題摘要

水沙與風沙運動是兩類典型的多組份、多過程、多尺度的湍流輸沙現象，是環境流體力學領域的重要科學問題。本項目研究這兩類不同流體介質湍流作用下泥沙運動的共同規律與特性，圓滿完成了計畫研究內容，實現了預期的研究目標。首先，對沖積河流過程多重時間尺度開展了深入研究，對飽和與非飽和泥沙數值模型進行了直接的比較研究，並對沖積河流水沙運動恢復飽和距離進行了數值模擬研究。這一系列研究一致表明：推移質泥沙運動能夠很快地調整到與當時當地水流條件相適應的挾沙力狀態，飽和模型能夠近似地適用於推移質輸移數值模擬；而懸移質運動向挾沙力調整需要一個相對較長的過程，正確地模擬懸移質輸移，必須採用非飽和模型。其次，對風沙運動挾沙力規律進行了深入研究。通過對不同條件下的風沙流開展風洞和野外測試，獲得較為準確和全面的實驗數據；通過理論分析及數值計算，研究不同條件下風沙流的輸沙通量沿高度方向分布，獲得了挾沙力的一致性規律。實測數據表明，脈動風速對輸沙率具有重要影響，需要在輸沙率預測公式中予以考慮。研究獲得了可用於計算風沙流輸沙率的基本數據和擬合公式參數，並提出了考慮湍流風場脈動特性的風沙流輸沙率預測公式。為揭示水沙與風沙動力學的共同規律與特性，將明槽水沙運動多重時間尺度理論擴展至風沙運動，提出水沙與風沙運動統一深度積分模式，比較研究了風沙與水沙運動向平衡狀態調整的時間尺度特徵。結果表明，風沙運動與水沙運動類似，推移質能夠很快地調整到平衡狀態，而懸移質調整到平衡狀態則需要相對較長的過程，在湍流懸移質實驗和數值模擬研究中應考慮恢復平衡過程的影響。同時，對相同初始條件下兩種流體介質輸沙進行直接數值模擬研究。結果表明，沙粒跳躍軌跡長度和高度有很大差別。本項目研究成果主要發表在相關學科國際主流學術期刊上，其中SCI收錄論文7篇，國際學術大會特邀報告1次，培養博士研究生5人，碩士研究生2人。本項目部分成果已經開始套用於對水沙工程問題的研究。