土石流能量傳遞機制與耦合數學模擬

《土石流能量傳遞機制與耦合數學模擬》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：土石流能量傳遞機制與耦合數學模擬
• 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

土石流是一類典型的非恆定水沙流動，涉及極其複雜的水沙相互作用，並可能與底部邊界發生質量、動量和能量交換。然而，迄今對土石流形成、演化和消退的物理機制的理解遠沒有完善，還缺少普遍適用的數學模擬理論以預報土石流致災過程。本項目將土石流中水與細顆粒混合物視作粘性流體、將粗顆粒作為固相連續介質，充分考慮土石流與可沖積底部邊界之間的交換，從湍流運動模式理論和質量、動量、能量守恆律出發建立土石流兩相耦合動力學數學模擬理論；揭示土石流形成、演化與消退過程中能量傳遞的行為、規律與物理機制，特別是粗顆粒脈動動能、平均運動動能及其與流體相湍流能量產生與耗散之間的關係，進而建立土石流自增強機制發生的臨界條件。該項研究將發展土石流運動的基礎理論，增進對土石流物理機制的理解，並為土石流災害的防禦提供新的數值模擬技術。

結題摘要

長期以來，對土石流形成、演化和消退的物理機制的理解遠沒有完善，缺少具備健全物理基礎、普遍適用的數學模擬理論以預報土石流。本項目基於兩相流質量、動量和能量守恆律，考慮水沙兩項脈動應力以及土石流與床面之間的交換，建立了一個新的（深度積分平均）全耦合土石流擬單相流模式和一個新的（深度積分平均）全耦合土石流兩相流模式。套用所建立的模式，對美國USGS全系列大尺度、動床和定床土石流實驗進行了深入、細緻的數學模擬研究。在不需要對模型參數進行實質性調整的前提下，兩相流模式所解析的土石流演化過程（土石流深度、前鋒傳播速度、床面沖刷、應力等等）與實驗觀測數據之間的吻合程度超過迄今為止公開發表的數學模型。同時，揭示了流體相湍流與固相顆粒運動影響土石流演化的規律。最主要的，流體相湍流受高含沙量泥沙所抑制，其應力的作用有限；但是，固相顆粒脈動應力超過流體相湍流應力的作用，對土石流演化的作用不可忽略；並且，固相顆粒湍流應力與流體相湍流應力之間並非簡單的代數關係所能表達，從而需要套用具有良好物理基礎的湍流封閉模式。以此為基礎，研究了定床、動床條件下土石流能量關係及其與土石流效率之間的關係。研究結果顯示：土石流高效率（長距離傳播）並非如人們所猜測的、由固相泥沙顆粒內能所能決定，也並非由沖刷床面泥沙所具備的初始勢能所決定，而是由水、沙兩相之間和泥沙顆粒之間的相互作用導致的。另外，為實際套用之目的，研究了暴雨山洪淺水動力學數值模型和（深度積分平均）水沙耦合動力學數值模擬的自適應格線技術，為將來進一步建立流域暴雨山洪－土石流耦合數學模型奠定了技術基礎。迄至本項目結題日，已正式發表SCI學術期刊論文6篇，另已投稿2篇、完成1篇（尚待發表的SCI學術期刊）論文，總計9篇。