非均勻泥沙輸移的基礎理論

《非均勻泥沙輸移的基礎理論》是依託清華大學，由吳保生擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：非均勻泥沙輸移的基礎理論
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：吳保生
• 項目類別：重點項目

項目摘要

非均勻沙輸移機理是泥沙運動力學的核心內容與重要科學問題，也是河流工程泥沙研究中面臨的主要技術難題。目前廣泛採用的質點動力學與巨觀守恆律兩種研究方法難以反映跨尺度、多物理過程綜合作用下的非均勻沙輸移機理，而分別突出微觀個體與巨觀特性的這兩種傳統研究體系又難以有機溝通與融合。本項目在機理層面，基於先進的DPIV/DPTV示蹤量測技術，通過精細水槽實驗分析顆粒在湍流中的相干過程與運動機理，揭示非均勻顆粒運動的耦合機制；在理論層面，通過動理學理論中的Boltzmann方程搭建聯繫微觀的單顆粒運動與巨觀的顆粒群輸移特性的橋樑，建立體現跨尺度個～群運動特性的非均勻沙運動的動理學理論體系；在套用層面，依據泥沙運動的動理學理論，解析不同粒徑泥沙的輸移特性，得到非均勻沙推移質輸沙率、懸移質挾沙力、沖淤過程中床沙級配調整等關鍵參量及過程的定量關係，為實際套用奠定基礎。

結題摘要

非均勻沙輸移機理是泥沙運動力學的核心內容與重要科學問題，也是河流工程泥沙研究中面臨的主要技術難題。目前廣泛採用的質點動力學與巨觀守恆律兩種研究方法難以反映跨尺度、多物理過程綜合作用下的非均勻沙輸移機理，而分別突出微觀個體與巨觀特性的這兩種傳統研究體系又難以有機溝通與融合。 本項目在機理層面，基於先進的ADV/DPIV示蹤量測技術，通過精細水槽實驗分析了顆粒在湍流中的相干過程與運動機理，揭示了非均勻床沙間的相互作用對泥沙起動的影響，闡明了泥沙起動中的三種不同耦合機制；分析了不同水流條件下的床面粗化過程和分形特徵，進而提出了一種新的床面有效糙度的計算方法，該方法反映了地形變化和地形表面糙度變化的影響。 在理論層面，通過動理學理論中的Boltzmann方程搭建聯繫微觀的單顆粒運動與巨觀的顆粒群輸移特性的橋樑，建立體現跨尺度“個～群”運動特性的非均勻沙運動的動理學理論體系，包括建立了挾沙水流的兩相渾水模型和彌散速度的本構關係，得到了速度分布函式的近似解，這為後續的套用提供了理論基礎。 在套用層面，依據泥沙運動的動理學理論，對於推移質，得到了反映剪下影響的動摩擦係數的表達式，這為能量耗散的分析奠定了基礎；推導了推移質單顆粒的速度分布，模擬計算了推移質顆粒的擴散特徵；建立了基於動理學理論的推移質輸沙率公式，結果表明，無論輸沙強度的高低，得到的推移質輸沙率都能夠與實驗數據相吻合。懸移質方面，推導了基於PDF模型的泥沙起懸機率；建立了泥沙輸移的彌散方程；分析了渾水速度和垂向泥沙濃度的分布規律，計算結果與實驗數據吻合地較好；在此基礎上，分析了泥沙的懸浮機理以及顆粒慣性對泥沙懸浮的影響，結果表明，泥沙顆粒的懸浮在本質上是由三種作用共同影響的結果，即渾水紊動擴散作用、顆粒紊動自擴散作用和顆粒碰撞擴散作用，而隨著顆粒慣性的增大，後兩種作用愈發明顯。