明渠湍流对泥沙启动输送影响概述

明渠湍流对泥沙启动输送影响概述

刘文骞

重庆交通大学重庆400074

摘要：泥沙问题是影响河流健康的重要因素。河道整治及泥沙治理工作就要研究水流对泥沙颗粒的耦合作用。明渠流作为最为常见的自然流动，研究明渠流对泥沙颗粒的启动、输移的影响有重要意义。本文对泥沙启动、输送，明渠湍流结构，以及明渠湍流对泥沙输送的影响，就前人的研究结果进行了总结概括。

关键词：泥沙启动、湍流、明渠、概述

引言

我国大江大河水沙条件已由淤积成灾变成输沙量逐年减少的严峻形势，梯级水库相继拦截了泥沙，使得部分河段冲淤变化复杂，造成库内泥沙淤积和清水下泄冲切河床等问题。在初期设计阶段就必须对泥沙问题进行充分考虑，运行期要结合枢纽水流水动力特性和库区泥沙启动规律，进一步改进河流泥沙冲於问题的解决方法。探索泥沙淤积规律，了解水沙耦合效应，对确保河流和已建成，建设，规划的水利工程健康发展具有重要意义。

泥沙启动的研究现状

当水流弱作用下，沉积颗粒处于静止状态。随着水流流量的不断增加，沉积物颗粒从静态到运动状态的突然变化过程称为泥沙颗粒的启动，相应的临界水力条件称为起动条件。研究泥沙颗粒启动的水力条件是泥沙运动力学与河床演变学的重中之重。已知粒径和密度的泥沙颗粒，颗粒刚刚要移动的速度和此时的水深称为泥沙颗粒启动流速和起始水深。因其水流流速影响大，故也将水流流速作为参数。不仅能够用颗粒启动流速和起始水深来指示泥沙启动条件，还能够通过颗粒启动拖曳力和颗粒的起始功率两种变量来表征。西方国家常用颗粒启动拖曳力，也就是泥沙颗粒刚开始动时底层水流作用于颗粒的切应力τc，τc与启动流速UC的转化关系为UC=，其中C0为无因次系数，ρ为水的密度。颗粒的起始功率应用较少。

A.Brahyms提出了六次方定律，他认为泥沙颗粒开始运动时的底流速度与颗粒重量的六分之一次方成正比，各个国家的学者们也相继结合实测河道资料做了大量的理论推导分析工作。Лосиевсий在泥沙运动力学中最早提出泥沙颗粒受到上举力作用并且推导出来表达式，他通过卵石实验证明了一个正比关系在水流对床面颗粒的上举力和底层流速的平方之间，这也解释了泥沙粗颗粒的启动机理。许多研究者们还利用室内实验进行了深入的研究，希望能够揭示颗粒启动的机理并且对有效的系数研究中取得突破。具有代表性的有Gilbert、Kamer、何泰之、美国水道实验站、Shields、Meyer-Peter、侯穆堂、窦国仁。一些学者已经收集了天然河流的数据，用于研究小规模的室内水槽，如武汉河流泥沙实验室，Helly，华国祥和张启伟。尽管通过自然数据确定颗粒物开始运动的速度相对困难，但这些数据也反映了难以获得实际河流颗粒运动的事实。

明渠湍流结构的研究现状

十九世纪末期，雷诺通过实验区分出湍流区和层流区后，对于湍流的认识研究有了较大的发展，LudwigPrandtl相继完成了边界层理论，奠定了现当代流体力学基础。二十世纪初期，由于飞行器制作强劲需求空气动力学理论得发展，这也极大地推动了流体力学的发展。二十世纪三十年代研制的热线风速仪解决了气流紊动的量测。Taylor，Kolomogorof等就湍流做了统计理论上的分析，基于实验的基础。二十世纪七十年代，Klineetal观察到了边界层发生的碎发现象，随后Brown发现了涡对现象。

二十世纪七十年代伊始，由于高速计算机的创造，计算流体力学得到了迅猛发展，各种各样的湍流模型相继被提出。Moin和Kim使用了大涡模拟历史上第一次模拟了碎发现象在边壁附近的。Kim等对Naview-Stokes方程进行了数值求解，在不用借助任何湍流模型的情况下，就此得到了直接数值模拟法。然而，由于实际工程中，大部分情况下河流的流动不需要如此精确的计算，同时也是明渠湍流的复杂性及实验的高难度导致明渠紊流研究发展的相对较晚。

在此之后通过不断的研究，学者们基本了解了明渠流动的湍流特征，与所有类型的湍流一样，明渠湍流具有涡旋相干结构特性。但因为我们对紊流拟序结构的不了解，所以尚无法应用于实际生产中，再加上本身拟序结构的繁杂性以及明渠流动条件的多样性，尤其是关于底层可移动的泥沙质床面，当河床床面伴随水流运动而演变出不同型式的形态时，拟序结构就变得愈加复杂，使得人们的认识也变得越来越不清晰。

湍流对泥沙颗粒启动的影响

湍流运动中的推移质颗粒启动和输移分布是典型的两相流问题，各种自然情况以及工程应用中都有存在，如河床的冲淤演变、非平衡输沙、污染物扩散等。因为边界层湍流与泥沙颗粒运动之间的高度耦合以及拟序结构的复杂性，所以此方面的研究面临重大的挑战。

推移质颗粒运动双向耦合作用于湍流拟序结构。Shao等通过利用直接数值模拟和浸入边界法，完成了当颗粒在渠道中运动时的输运模拟，研究了湍流统计特征受到颗粒粒径、固体体积比和沉降效应作用的影响。结果表明:与单一流动相比，沉降效应减弱的同时，顺流流速的紊动在缓冲区相应减弱，而在核心区和黏性底层以及整个断面内竖向和展向流速紊动都呈现相反规律，这是由于颗粒的存在部分破坏拟序结构和颗粒之间随机碰撞致使湍动趋向各向同性。随着沉降效应不断增强，泥沙大量沉积在底部近壁区，顺流流速紊动相应减弱，相反核心区紊动增强，这种现象是泄涡由颗粒表面产生的，上升进入核心区而导致。Kidanemariam等对低固体体积比以及小径颗粒的启动、输移进行了大量研究，他们发现颗粒的流速及其紊动较流体的低，而颗粒的竖、展向速度的紊动较流体相应方向紊动高。颗粒的体积小且数量较少，使得与单一流相比，颗粒产生的湍流统计特征的改变可忽略不计。

拟序结构还对颗粒在近壁区的分布起作用。研究者对颗粒局部浓度和分布分别从实验和数值模拟的角度进行了大量研究。Shao等指出低流速带发生颗粒聚集是由于拟序结构形成的流向涡而导致。Kidanemariam等也有相同发现，与此同时他们还应用Voronoi分析方法，给出了颗粒聚集的统计特征。Monchaux等采用风洞实验观测了颗粒在边界层中的分布情况，并进行了Voronoi分析，对于不同雷诺数和Stokes数条件下的颗粒，认为Voronoi分析有很大潜力在研究颗粒动力特性和分布特征方面。

结语

明渠流是十分常见的，也是我们数值计算经常简化利用的水流流动形态，在自然河流和人工渠道中可以大量见到这种经典的流动。明渠流的水流特性主要以湍流为主。虽然，人们对明渠流的湍流结构和水力特性有了大量的认识，但由于紊流的随机性和多样性及拟序结构本身的复杂性，使得还远无法在实际中应用研究成果，特别是当明渠底层为易启动的泥沙质床面时变得更为复杂，使得对动床床面上的湍流特性的研究变得更为困难。因此，对明渠湍流关于泥沙启动及输移的影响进行研究有着至关重要的意义。

参考文献:

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