明渠紊流中泥沙颗粒输移的大涡模拟研究.pdf

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1、泥沙研究2014年8月JournalofSedimentResearch第4期明渠紊流中泥沙颗粒输移的大涡模拟研究及春宁，陈威霖，宋晓阳，许栋(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072)摘要：应用大涡模拟、浸入边界法和有限元一离散元联合法，数值模拟了明渠紊流中2—3层紧密堆积的离散泥沙颗粒的起动和输移，计算了不同输沙强度下，泥沙颗粒运动和受力的统计特征、泥沙浓度、泥沙体积通量密度和输沙率，以及流场的速度剖面和紊动强度等。研究发现：泥沙颗粒的起动和输移对紊流的统计特征有明显影响；

2、主流区的泥沙浓度和体积通量密度随高度的增加呈指数下降；颗粒所受平均升力与输沙强度关系不明显，其最大值约为0．6倍的颗粒浮容重；升力的紊动强度随输沙强度等增大而增大，且数值远大于其平均值，紊流结构引起的脉动升力是泥沙颗粒起动的主要原因。关键词：离散泥沙颗粒；大涡模拟；浸入边界法；明渠紊动；泥沙输运中图分类号：TV142．1文献标识码：A文章编号：0468—155X(2O14)04o01_o91研究背景泥沙输运研究对于预测河流和河口泥沙演变具有十分重要的价值。虽然学术界对近壁区域紊流的“猝发”现象是

3、引起泥沙颗粒起动和输运的主要因素达成共识，但对其机理仍未清楚。当泥沙粒径较小时，泥沙颗粒的运动对周围流场不产生明显的影响，近壁处的泥沙颗粒汇集在低流速区域，呈条带状分布，并被喷发(Ejection)结构的两个反向旋转的漩涡带到流场的上部，形成跃移，进而被主流区水流挟带输运。然而，当泥沙粒径较大时，泥沙颗粒的运动对周围紊流的影响不可忽略。具体为：泥沙颗粒对于尺度与其粒径相似或较小的漩涡具有明显的耗散效应，近壁处的水体紊动强度明显降低，紊流的高、低流速条带结构上移。泥沙颗粒被扫掠(Sweep)结构形

4、成的向下俯冲的高速水体冲起¨，之后或重新回到床面(有效重力大于脉动升力)，形成跃移质；或悬浮在水中(有效重力小于脉动升力)，形成悬移质。借助于高性能计算技术的发展，研究者们逐渐摆脱了“采用浓度表示泥沙分布，并通过求解对流扩散方程研究泥沙输运过程”的数值研究方法，转而将泥沙视为单个颗粒，通过求解数以千万的泥沙颗粒的运动(考虑泥沙颗粒与紊流之间的相互作用，泥沙颗粒之间、泥沙与床面之间的碰撞，泥沙颗粒之间的遮蔽和咬合作用等)，来获取泥沙运动的整体特性，如输沙率、泥沙浓度分布、泥沙颗粒跳跃长度和高度、泥

5、沙颗粒运动速度，甚至沙纹、沙垄和沙浪的形成和演变过程、泥沙颗粒分选等。此方面的数值模拟研究分为两类，一类是泥沙粒径远小于网格长度，泥沙颗粒被当作“点球”处理，泥沙颗粒所受的流体力通过经验模型来模拟，泥沙颗粒运动对周围流场的影响通过在流体控制方程中增加附加体积力(浸入边界法)实现，紊流多通过大涡模拟求解，泥沙颗粒之间的接触力通过颗粒离散元计算。此类方法可模收稿日期：2013一l15基金项目：天津市青年科学基金资助项目(12JcQNJcO2600，12JcQNJc0560O)；国家自然科学基金创新研

6、究群体科学基金资助项目(51321065)；国家自然科学基金项目(50809047，51009105)作者简介：及春宁(1978一)，男，河北人，博士，副教授，主要从事泥沙动力学数值模拟研究。E-mail：cnji@tju．edu．Cn通讯作者：许栋。E-mail：xudong@tiu．edu．cn1拟大量(千万量级)泥沙颗粒的运动，适合研究较大空间尺度的泥沙演变过程。Nabi等¨”利用大涡模拟和颗粒离散元方法数值模拟了明渠紊流中沙纹、沙垄和沙浪的发展和演变，以及桩柱周围的局部冲刷和淤积问题。另

7、一类研究中，网格长度小于或远小于泥沙粒径，对泥沙颗粒受到的流体力和周围流体受到泥沙颗粒的反作用力直接数值模拟(浸入边界法)，不引入任何经验模型，模拟精度高，被认为是“数值实验”。对于紊流采用直接数值模拟或大涡模拟，对于颗粒接触力采用离散元方法计算。然而，由于“刻画”泥沙颗粒和“解析”紊流结构所需的网格数量巨大，此类研究无法研究大量泥沙颗粒的运动，仅能模拟少量(数千个)泥沙颗粒在较小计算区域内的运动。此类研究的意义在于，可以精确地考察紊流结构与泥沙颗粒之间的相互作用，颗粒起动和输移时受到的脉动流体

8、力，颗粒跳跃的长度、高度、速度和轨迹等，为第一类研究中泥沙的运动模型提供改进依据。在此方面，Chan-Braun等研究了单层固定颗粒受到的脉动流体压力在球面上的分布；随后，Chan—Braun等¨、Kidanemariam等研究了低固体体积比(泥沙颗粒的总体积与计算域体积之比)的小粒径泥沙颗粒的起动和悬移过程，Shao等也研究了较小粒径的泥沙颗粒在明渠紊流中的运动；Ji等’研究了较高固体体积比的大粒径泥沙颗粒在明渠紊流中的运动，得到了泥沙颗粒的平均速度剖面，速度紊动强度沿水深的分布，流体力随水深