泥沙运动力学研究进展和前沿

介绍了泥沙运动力学的起源和发展历程,对泥沙运动力学中的不同理论方法进行归纳与评述。在此基础上,着重阐述了泥沙运动的动理学理论体系,包括基本理论方程以及其在颗粒与床面间的相互作用、床面泥沙的冲刷率、推移质输沙率以及悬移质输沙的运动特性等方面的应用。研究结果表明动理学理论能够准确描述泥沙颗粒的基本动力学特性。运用文献计量法了解泥沙研究的未来发展趋势,近年来以"bedload or suspended load"为关键词的文章数量持续增长,说明目前泥沙研究仍然保持着强劲的生命力;通过对期刊和学科分类的统计分析发现,泥沙运动与地貌等交叉学科的研究呈现出蓬勃发展的趋势。     

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。     

往复流作用下悬移质泥沙运动规律的数值研究

本文从水沙两相紊流的双流体数学模型出发,采用直接数值计算的方法,研究了海床面附近边界层内往复流对悬移质泥沙运动的影响。研究方法的有效性通过典型问题的流速分布、紊动能量分布以及泥沙浓度分布的计算结果和实验观测结果的比较得到了良好的验证。本研究还探讨了往复流条件下各类相间作用力的时空变化规律及其对悬移质泥沙运动的影响。     

泥沙数学模型近底边界条件Ⅱ：非平衡输沙

由基于湍流猝发的可自由冲刷床面泥沙上扬通量函数，直接构造床面可自由冲刷时近底含沙量Ｎｅｕｍａｎ边界条件，考虑刚性床面上泥沙不一定能得到充分补给之事实，给出相应的近底边界条件提法。     

悬移质泥沙输移扩散方程适用条件的讨论

悬移质泥沙的输移扩散是泥沙运动力学的基础问题之一,学者们基于不同理论对其运动规律开展了深入研究。基于已有研究,本文主要讨论了不同理论下扩散方程的适用条件。研究结果表明,传统的Rouse扩散方程及其修正式仅适用于泥沙浓度较低、颗粒惯性小至可忽略的条件;两相流理论下的扩散方程由于未考虑颗粒惯性效应,同样只适用于浓度较低、颗粒较小的条件;近期Snehasis Kundul和Koeli Ghoshal基于漂移速度建立的扩散方程由于考虑了升力、颗粒惯性等因素对悬移质分布的影响,使其适用范围相应变大,但在确定泥沙扩散系数上仍然采用的是经验公式,应用上会受到实验资料的限制。基于动理学理论的扩散模型包括基于PDF方程的扩散方程和弥散方程。两个模型中,除了重力沉降和紊流扩散作用外,由于考虑了升力、颗粒紊动、颗粒惯性等影响因素,其在浓度较高、颗粒惯性较大时仍适用,具有普适性。尤其是弥散方程,能够反映颗粒浓度、颗粒紊动、颗粒碰撞等不同机制对泥沙悬浮的影响,全面阐释了悬移质泥沙扩散背后的力学机理。     

泥沙数学模型近底边界条件Ⅰ：平衡输沙

床面泥沙的上扬是湍流猝发直接作用的结果．本文首先改进作者基于这一基本力学机理所构造的可自由冲刷床面泥沙上扬通量函数，然后利用输沙平衡时泥沙上扬与有效沉降通量相等之条件建立近底含沙量的理论模式．该理论与现有实验数据吻合甚好，较已有经验和半理论方     

泥沙运动统计理论前沿研究成果

本文是作者数十年来以力学和概率论相结合的途径,广泛、深入研究泥沙运动统计理论的主要成果。其中包括泥沙运动的概化模式;单颗泥沙运动力学及统计规律;床面泥沙4种状态之间的转移概率及交换强度;不同状态之间的多种输沙率(而不是现有的两种)研究;泥沙起动规律及起动流速;从理论上导出的床面泥沙的边界条件;一维不平衡输沙规律及相应的数学模型;推移质与床沙和悬沙同时交换的不平衡输沙;床沙冲刷粗化与交换粗化规律;推移质点源、线源及退化面源扩散。另外,文中还给出了由泥沙运动统计理论带动的泥沙研究领域其他成果,如挟沙能力级配及有效床沙级配、粗细泥沙交换、挟沙能力多值性以及黄河高含沙量时的"揭底冲刷"。     

丁坝绕流流场及局部冲刷三维数值模拟研究

精确模拟丁坝附近流场信息,预测冲刷形态对丁坝的设计和安全运行具有重要的意义。本文采用一种基于多相流模式的悬移质输沙与传统推移质输沙相结合的模型模拟丁坝局部流场与冲刷过程,而河床变形则通过填充层体积份数的变化来模拟,VOF法处理自由面。泥沙冲刷侵蚀模型主要分为三个模块:悬移质漂流模块、泥沙挟带模块以及推移质输运模块,通过模拟在水流作用下的泥沙运动来预测泥沙侵蚀、对流扩散以及沉积等过程,同时考虑床面坡度对泥沙输运以及临界希尔兹数的影响。模拟得到了丁坝附近局部流场、地形冲淤变化以及冲刷坑形态等,并把计算结果与试验资料进行了对比分析,二者吻合较好,证明该模型能够很好地反映丁坝附近流场信息和床面变形特征。     

基于湍流猝发的床面泥沙上扬通量

根据湍流猝发平均周期及其空间尺度，构造了可自由冲刷床面泥沙上扬通量的理论模式，该模式较现有的各种经验模式能更准确地描述了扬通量随水沙条件的变化规律，由此可为泥沙数学模型建立具较好力学基础的近底含水量边界条件。     

波浪作用下悬移质泥沙运动的两相流数值模型

该文采用基于水沙两相紊流的数值模型对波浪作用下的悬移质泥沙运动进行研究。基本方程中将水相和颗粒相通过相间作用力进行耦合,合理地考虑了相间相对运动的影响。数值计算方法为有限体积法,对流项处理利用了三阶精度的QUICK格式,离散方程组求解采用的是TDMA迭代方法。计算得到的悬移质泥沙垂线时均计算值与不同尺度的水槽实验数据吻合很好,表明数学模型及其计算方法对于低浓度水沙两相问题是合理的。该研究还探讨了悬沙浓度、泥沙沉降速度以及各种相间作用力随时间的分布规律。     

泥沙不同起动模式的起动概率对比分析

基于颗粒间相对暴露度的分布规律,确定了河床近底水流流速有效作用点高度yb和近底时均流速。在此基础上,分别比较了滚动模式、滑动模式和跃移模式下泥沙临界起动平衡条件,推导出了三种起动模式下的起动概率。经分析发现:在床面泥沙颗粒处于相对暴露度均值为0.16状态下及同样的水流条件下,泥沙滑动模式和滚动模式起动概率处于同一量级,滑动模式更容易起动,跃移模式最难起动;当水流强度较小时,泥沙颗粒以滚动(间或滑动)模式起动为主,反之,以跃移模式起动为主。     

明渠挟沙水流中悬移质的床面平衡浓度

本文通过泥沙颗粒运动的概率密度输运方程，推导出床面附近运动的泥沙颗粒的概率密度函数及相应的泥沙颗粒向上运动和向下运动的通量，建立了计算明渠挟沙水流悬移质床面平衡浓度的关系式。通过与试验资料及经验公式的比较对本文建立的关系式进行了检验，结果表明本文所得计算公式与实际符合较好，可用于悬沙床面平衡浓度的计算。     

CONCENTRATION DISTRIBUTION OF SEDIMENT IN BED LOAD LAYER

In this paper the concentration profile in bed load layer is derived based on kinetic theory. According to observations, particles moving in near wall region behave differently during ejection and sweeping of turbulence burst, as indicates that they are subject to different influences from turbulence, and therefore, the forces acting on particles are not the same. Consequently, particles moving in bed load layer are classified into two groups, one lifted upward by ejections, the other carried back to bed by sweepings, and the forces corresponding to upward and downward motions are proposed. By solving the basic transport equation of kinetic theory, the velocity distribution functions, upward and downward fluxes of particles in bed load layer are derived. Upon assumption of equilibrium sediment transport, concentration profile in bed load layer is obtained. Verification is also presented in this paper, which shows that the concentration profile produced by the relation proposed in this paper agrees with observations well.     

泥沙起动条件分析及推移质输沙率公式

基于床面均匀泥沙颗粒相对位置关系,确定了瞬时作用流速及有效作用高度,建立了平坡泥沙起动条件与床面泥沙暴露度的关系。从理论上分析得到,泥沙跃移起动要求水流条件最高,滚动起动及滑动起动取决于泥沙颗粒的暴露角,且暴露角θ不随拖曳力系数C_D和上举力系数C_L的变化而变化。当暴露角θ小于42.8°时,泥沙更易于滚动起动;当暴露角θ大于42.8°时,泥沙更易于滑动起动。在此基础上,推导出了考虑两种起动模式的起动全概率公式,建立了床面推移质单宽输沙率公式。通过经典的推移质输沙率实测资料验证及误差计算表明,公式结构合理,计算精度较高,对于高、中、低输沙率都具有较好的适用性。     

波浪作用下软泥床面的粘性泥沙悬扬

本文考虑波浪与软泥床面相互作用，建立了计算软泥床面上波浪剪应力的理论模型.计算结果表明，床面运动对波浪床面剪应力的影响很大.对波浪作用下粘性泥沙悬扬进行了实验研究，得到了不同密度泥床粘性泥沙悬扬的临界剪切力与泥沙流变参数的关系，并与水流作用下粘性泥沙悬扬的结果进行了比较。     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础。本文开展了粗化床面条件下的水槽试验，分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化，并与已有均匀沙试验进行了对比。结果表明，粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体，形成比平整床面更复杂的底部边界，粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响，颗粒在运动过程中与水流动量交换强度大，泥沙颗粒运动与均匀沙试验“类弹道扩散”存在一定差异；受床面结构影响，部分颗粒表现出较强的横向运动，颗粒的横向扩散特性与流向扩散特性类似。与均匀沙平整床面不同，粗化床面上颗粒运动可能会相应改变床面结构，从而改变水流底部边界条件，进而对泥沙颗粒运动造成影响，泥沙颗粒运动存在较明显的记忆效应和反常扩散现象。     

图像处理技术在推移质运动颗粒参数提取中的应用

非均匀推移质颗粒运动规律一直是泥沙研究领域的难点,提取非均匀推移质颗粒的参数信息则是推进该难点研究的基础性工作。通过进行粗化床面非均匀沙水槽试验,拍摄了大量的泥沙颗粒运动视频,选取其中部分视频进行处理和研究:先通过图像转换软件将拍摄的视频转化为图片;然后利用图像处理技术对泥沙颗粒运动图像的空间变化特征进行识别,对转化后的图片进行畸形矫正和背景除噪;最后通过选取合理阈值将图片上泥沙颗粒提取出来,并计算泥沙颗粒粒径、体积等相关参数信息。研究成果可为获取推移质颗粒输沙运动基本信息提供基础,为非均匀推移质输沙机理研究提供更科学、完善、可靠的数据。