明渠紊流與床面形態(tài)相互作用研究進展

唐立模,孫會東,劉全帥

(1.河海大學(xué)水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

明渠紊流與床面形態(tài)相互作用研究進展

唐立模1,2,孫會東2,劉全帥2

(1.河海大學(xué)水文水資源及水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

結(jié)合國內(nèi)外最新研究動態(tài),從明渠紊流與床面形態(tài)相互作用的研究方法、明渠紊流特點、紊流對沙波形態(tài)的影響、床面形態(tài)對紊流的反作用等方面對明渠紊流與床面形態(tài)相互作用進行了綜述。當(dāng)前明渠紊流特性、二維沙波床面水沙運動特性等方面的研究已經(jīng)取得豐富成果,但尚不能很好地解釋天然河流中的水沙輸移機理;由于試驗測量方法的限制,復(fù)雜床面條件下的水沙相互作用研究在相當(dāng)長時間內(nèi)沒有取得突破性的成果,亟需探索和引入無干擾、高精度的三維瞬態(tài)全場測量技術(shù);床面幾何形態(tài)、沙波發(fā)展演變方面的研究相對成熟,但床面的穩(wěn)定機理尚存在分歧,理論模型和數(shù)學(xué)模型均不夠完善,尤其沙波內(nèi)部滲流與明渠紊流綜合作用下的床面穩(wěn)定性和泥沙運動特性研究還比較少,是今后進一步探索的方向,其成果可為揭示三維沙波床面紊流與泥沙相互作用機理提供必要的前提。

明渠;紊流結(jié)構(gòu);紊動特性;床面形態(tài);沙波演變;綜述

天然河流的流態(tài)常見為紊流,床面附近的近壁區(qū)是紊流研究的重要區(qū)域,水流相干結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、沙波床面的形成與發(fā)展都是在這一區(qū)域發(fā)生。近壁區(qū)域的水流運動是河流泥沙運動的能量來源,使得河道床面形態(tài)發(fā)生改變,形成沙紋沙壟等各類床面形態(tài)。相應(yīng)地,床面形態(tài)的存在也改變了沖積河流的水流結(jié)構(gòu),對水流阻力和泥沙輸移均產(chǎn)生影響。水流結(jié)構(gòu)與床面形態(tài)相互作用、相互影響,研究二者間的相互作用機理是泥沙運動力學(xué)的基礎(chǔ)理論課題,其成果對于研究明渠泥沙輸移機理、河道沖淤演變規(guī)律以及河道中污染物輸移機制等課題都有重要意義。本文總結(jié)分析了近年來明渠紊流與床面相互作用的研究成果,并對這一問題的研究方向進行了展望。

1 明渠紊流與床面形態(tài)相互作用的研究方法

目前,明渠紊流結(jié)構(gòu)與床面形態(tài)相互作用的研究方法主要包括試驗研究和數(shù)值模擬兩大類,試驗研究又分為定床試驗和動床試驗。定床試驗通過概化二維或三維床面形態(tài)模擬真實床面,動床試驗是在床面鋪沙且形成床面形態(tài)條件下研究紊流結(jié)構(gòu)、分析床面形態(tài)特征。定床條件由于對真實床面做了簡化且少了床面這一可動邊界,紊流結(jié)構(gòu)較易測量,但是其結(jié)果和真實床面有差異;對動床情況,床面邊界可動給紊流觀測帶來很大的困難,目前動床試驗主要用于研究床面的形態(tài)特征、床面發(fā)展演變等。紊流結(jié)構(gòu)的測量儀器包括:聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)、粒子圖像測速儀(PIV)、激光多普勒流速儀(LDV)等,床面特征的測量可以采用超聲地形儀測量、停水后用測針測量和用攝像機拍攝測量等方法。

數(shù)值模擬在精確模擬床面形態(tài)、增強流場可視化效果、節(jié)約試驗成本等方面有著獨特的優(yōu)勢。常用的數(shù)值模擬方法有直接數(shù)值模擬(DNS)法和大渦模擬(LES)法。直接數(shù)值模擬計算結(jié)果準(zhǔn)確,但計算量大,只適用于小雷諾數(shù)和中等雷諾數(shù)情況,不適用于較高雷諾數(shù)情況;大渦模擬由于對控制方程進行了簡化,精度要低于直接數(shù)值模擬。Bhagangar等[1]在摩阻雷諾數(shù)Re子=400時,采用DNS法模擬計算了床面粗糙形態(tài)對水流的影響;Robert[2]采用DNS法研究了雷諾數(shù)對明渠水流的影響,其模擬最大雷諾數(shù)達到590;Imran[3]通過DNS法研究了Re子=619時,床面存在凸起條件下渦結(jié)構(gòu)的特性,其對渦結(jié)構(gòu)的模擬需要更大的計算量。從這些研究的計算條件可以看出,直接數(shù)值模擬方法受到計算量的限制,摩阻雷諾數(shù)只能局限于中等強度,有一定的局限性。在大渦模擬方面,Bomminayuni等[4-6]成功地模擬了粗糙床面、二維概化沙紋條件下的紊流結(jié)構(gòu),他們的計算成果都和相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)吻合良好,但尚未擴展到動床條件下的模擬。

2 明渠紊流特點

2.1 明渠紊流的時均流速

Nezu等[7]對光滑明渠水流進行了研究,根據(jù)水流距壁面的距離將水流分為主流區(qū)和近壁區(qū),以壁面的法向為y向,水深為h,y/h＜0.2的區(qū)域稱為近壁區(qū),y/h≥0.2的區(qū)域稱為主流區(qū);又將近壁區(qū)分成黏性底層、對數(shù)區(qū)、過渡區(qū)三部分。各區(qū)的流速分布見表1,表中:

式中:U為瞬時流速;U*為摩阻流速;ν為運動黏滯系數(shù);h為水深。表1中κ、A、П為常數(shù),其中A= 5.29±0.47,κ=0.412±0.11,隨著底坡或弗勞德數(shù)的增加,A有減小的趨勢,陳興偉等[8]認(rèn)為樣本容量對A值有一定的影響,樣本容量增大時,A更趨于穩(wěn)定。

表1 流速垂線分布

2.2 明渠紊流的紊動特性

Nezu等[9-11]對明渠紊動強度進行了研究,認(rèn)為各個方向的紊動強度與相對水深成指數(shù)關(guān)系,邊壁附近處因受空間的限制,紊動強度為零,離邊壁稍遠,紊動強度迅速增大達到一個峰值,主流區(qū)垂向紊動強度接近摩阻流速,縱向紊動強度大于垂向紊動強度。Song等[12]對挾沙情況下的明渠水流紊動特性進行了研究,同樣得出紊動強度沿水深符合指數(shù)分布的結(jié)論。

Nezu等[9-11]還分析了明渠紊流的雷諾應(yīng)力分布規(guī)律,認(rèn)為近壁區(qū)由于黏性底層的影響,雷諾應(yīng)力從床面開始由零增加到最大值,該極值一般位于0.1～0.2倍水深處,然后垂向正向呈線性遞減趨勢,在自由水面處減小到零,雷諾應(yīng)力在外區(qū)服從線性分布。Yang[13]通過理論分析建立了雷諾應(yīng)力與床面剪切力和速度分布的理論模型,并根據(jù)實測雷諾應(yīng)力值和速度分布情況來反推床面剪切力,這是傳統(tǒng)的測量方法很難做到的。Auel等[14]通過LDV試驗研究了非恒定流條件下的雷諾應(yīng)力影響因素,認(rèn)為雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)對雷諾應(yīng)力分布不產(chǎn)生影響,而寬深比對其影響明顯,邊壁處的雷諾應(yīng)力比中心處大20%～50%。

2.3 明渠紊流的紊流結(jié)構(gòu)

毛野等[15]采用流場綜合分析法將流動顯示與計算機圖像處理相結(jié)合,對紊動猝發(fā)現(xiàn)象進行了研究,結(jié)果表明雷諾數(shù)增大時,噴射更多的由單體噴射變?yōu)槿后w噴射,噴射角度、噴射和清掃的尺度有增加的趨勢。紊流的猝發(fā)是擬序的,但是紊流發(fā)生的時間和位置是隨機的,前人大多采用平均猝發(fā)周期來反映猝發(fā)的頻率。Noguchi等[16]通過PIV試驗對清水條件下噴射和清掃的平均猝發(fā)周期進行了研究,統(tǒng)計認(rèn)為平均猝發(fā)周期的概率分布服從對數(shù)分布,噴射和清掃的平均周期幾乎相等,TUmax/h≈1.83。

以往研究表明,渦結(jié)構(gòu)是紊流內(nèi)部的大尺度結(jié)構(gòu),發(fā)夾渦是一種用來描述紊流相干結(jié)構(gòu)演變的模型。Adrian[17]認(rèn)為發(fā)夾渦的發(fā)展模型能夠作為渦量傳輸、近壁區(qū)動量傳輸和紊動能傳輸?shù)囊环N解釋方式,但是水流紊動并不是完全由發(fā)夾渦導(dǎo)致,因為流速梯度也能夠產(chǎn)生水流紊動。Herpin等[18]對流向渦進行了研究,得出相似的結(jié)果,并認(rèn)為在床面附近各渦之間相互影響強烈,當(dāng)距床面超過一定距離時,各渦相互獨立;同時還建立了渦密度模型,即隨著水深的增加,渦密度增加,并有相同的旋度,流向渦和橫向渦的渦半徑在不同的雷諾數(shù)下,無量綱值的變化趨勢是一致的,但受空間分辨率的影響其絕對值不同,渦半徑隨水深的增加而增加,在對數(shù)區(qū)增長緩慢。Roussinova等[19]通過正交分解法對明渠紊流的紊動猝發(fā)和渦結(jié)構(gòu)進行了分析,結(jié)果顯示均勻動量區(qū)的空間變化與渦結(jié)構(gòu)的運動相匹配,流動顯示結(jié)合象限分析法更能從本質(zhì)上分析渦結(jié)構(gòu)對紊流的影響。

由以上分析可知,對明渠紊流的研究目前已經(jīng)取得相當(dāng)多的成果,對流速分布規(guī)律、紊動特性分布規(guī)律等也已經(jīng)較全面地了解,但對紊流擬序結(jié)構(gòu)的研究,定性研究較多,定量研究成果尚未獲得共識,紊流結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機理還不明確。隨著逐漸成熟的二維、三維PIV流場瞬時測量技術(shù)的發(fā)展,通過對流場樣本的大規(guī)模采集和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,紊流擬序結(jié)構(gòu)研究有望取得更多的突破。

3 紊流對床面形態(tài)的影響

天然河道中,隨著水流的增強,河流床面會出現(xiàn)沙紋、沙壟、平整過渡、逆行沙壟等不同形態(tài)。研究紊流對床面形態(tài)的影響,主要包括床面發(fā)展不同階段幾何形態(tài)特征研究、床面形態(tài)隨時間發(fā)展變化研究、沙波的形成與演化機理研究等方面。

3.1 沙波幾何形態(tài)的影響因素

3.1.1 小沙紋的幾何形態(tài)

小沙紋是床面發(fā)展成沙紋之前的狀態(tài),在緩流條件下形成,小沙紋隨時間的推移發(fā)展成沙紋、沙壟。Coleman[20]通過實驗得出小沙紋的表達式:

該式不適用于層流。隨后Coleman等[21]又給出了小沙紋適用層流條件的表達式:

式中:Λ為小沙紋波長;D為泥沙粒徑;Re*為沙粒雷諾數(shù)。由式(1)和式(2)可知,明渠層流和紊流條件下,小沙紋的產(chǎn)生有一種相似的機制,水流紊動的研究是小沙紋成因分析的基礎(chǔ),水流特性和沙紋形成存在著內(nèi)在的相關(guān)關(guān)系。Rauen等[22]通過漸變寬度的水槽試驗,統(tǒng)計分析得出小沙紋的高度符合對數(shù)正態(tài)分布,小沙紋的最大高度為7mm,波高表達式可寫為

此外,Baas[23]也進行了此方面的研究,獲得了類似的成果。

3.1.2 沙紋的幾何形態(tài)

3.1.3 沙壟的幾何形態(tài)

沙壟屬于大尺度床面形態(tài),沙壟的波長正比于水深。van Rijin[27]針對低水流能態(tài)區(qū)和過渡區(qū)的沙壟床面形態(tài),提出了明確床面形態(tài)尺度的方法,得出的沙壟波長Λd≈7.3h;Yalin等[24]通過大量試驗分析得出沙壟波長Λd≈6 h,二者的結(jié)論很相似,認(rèn)為沙壟的波長和水流相干結(jié)構(gòu)的水平猝發(fā)長度相同,這說明水流結(jié)構(gòu)和床面形態(tài)有一定的相關(guān)性。

Mark等[28]通過水槽試驗研究沙波形態(tài),結(jié)果表明當(dāng)寬深比大于10時,床面形態(tài)特征值(包括各個點的波高、波長、波峰的高度、波谷的高度)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差呈線性關(guān)系,寬深比小于10時呈指數(shù)關(guān)系;當(dāng)選取床面特征值的概率密度在95%以上的值來估算床面特征值時,床面形態(tài)特征值的平均值與其標(biāo)準(zhǔn)差呈線性關(guān)系,其結(jié)論在工程上有較好的應(yīng)用。Coleman等[29]通過水槽試驗統(tǒng)計分析各類床面各個位置的床面高度,同樣認(rèn)為沙波的波高平均值是其標(biāo)準(zhǔn)差的函數(shù),并通過床面高度偏態(tài)系數(shù)和峰態(tài)系數(shù)來判別不同的床面形態(tài)(平整、沙紋、沙壟等),床面穩(wěn)定時,偏態(tài)系數(shù)和峰態(tài)系數(shù)趨于定值。

3.2 沙波隨時間的發(fā)展

床面從平床發(fā)展到穩(wěn)定的過程中,沙紋、沙壟的形態(tài)隨時間的變化而變化,大量研究表明,沙波隨時間的發(fā)展變化受床面初始狀態(tài)、泥沙粒徑、摩阻流速等因素影響。Singh等[30]通過試驗研究沙波的發(fā)展過程,利用聲學(xué)儀器記錄運動沙波的瞬時波高,發(fā)現(xiàn)床面形態(tài)發(fā)展初期床面發(fā)展得更快,小粒徑泥沙、流量較小的水流更有利于通過非線性理論準(zhǔn)確地預(yù)測床面形態(tài)。Coleman等[31]通過大量試驗得到了初始床面為非平床的床面幾何形態(tài)隨時間變化的表達式:

式中:tefc為從初始狀態(tài)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間;t為初始狀態(tài)到床面穩(wěn)定之前任意床面狀態(tài)的時間;P為任意時刻沙波形態(tài)參數(shù)(波長或波高)的平均值;Pi、Pe為初始和平衡狀態(tài)下的沙波形態(tài)特征參數(shù)的平均值;D50為泥沙中值粒徑;ρs為泥沙密度;ρ為水的密度;ν為運動黏滯系數(shù)。

Raudkivi[32]對床面從平床發(fā)展到穩(wěn)定的時間進行了研究,認(rèn)為床面在一定水流條件下達到穩(wěn)定的時間取決于床面切應(yīng)力的大小和沙粒的粒徑,得出沖淤平衡的時間表達式為

式中:te為沖淤平衡時間;a、b為系數(shù),a=1 000、230、6800,b=3.0、2.4、4.3,對應(yīng)的泥沙粒徑D= 0.095mm、0.16mm、0.238mm;θ為無量綱切應(yīng)力; θc為泥沙起動的臨界切應(yīng)力。Raudkivi試驗的泥沙粒徑組次較少,難以代表一般規(guī)律。Coleman等[31]通過大量試驗給出了沖淤平衡時間的冪指數(shù)表達式:

式中t*為無量綱化的沖淤平衡時間。Coleman的公式試驗組數(shù)更多、粒徑選擇范圍更廣,有更廣泛的適用性。

3.3 沙波的形成機理

床面附近局部擾動引起的近壁流層波動、床面受力不平衡、紊流擬序結(jié)構(gòu)等因素都會影響床面的沖淤和沙紋的形成。沖積河流的河床是由松散的、大小不等的泥沙顆粒組成的,要想保持河床表面的絕對平整是不現(xiàn)實的。另一方面,水流的紊動性質(zhì)使床面的水流強度因時因地有所不同,當(dāng)某一點的紊動強度忽然增加到一定程度時,水流即從河床帶起泥沙產(chǎn)生沖刷,而在稍下游的地方,紊動強度沒有那么大時,又會造成淤積。隨后淤積造成水流分離,使得同樣的沖刷淤積過程繼續(xù)向下游延伸,最后形成一系列的起伏。

關(guān)于沙波的形成機理,國內(nèi)外不少學(xué)者提出了各自的理論模型,并通過實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。Ji等[33]引入了恒定渦輸運方程和Bagnold泥沙輸運方程,用非線性理論來描述紊流和泥沙輸移,認(rèn)為非線性理論能更合理地解釋床面的形成。Zhou等[34]在低流態(tài)下,運用線性和非線性的普通差分模型,得出了從泥沙起動到平衡的過程中,沙紋波長和波高的變化規(guī)律,也認(rèn)為非線性模型更好。Franklin[35]發(fā)展了三維沙紋不穩(wěn)定理論,認(rèn)為沙紋模型中最不穩(wěn)定的是縱向模型,縱向模型和傾斜模型相結(jié)合能夠建立沙紋的三維模型,并在模型中考慮了不穩(wěn)定渦的作用。白玉川等[36]認(rèn)為,沙紋的尺度較小,主要由明渠層流不穩(wěn)定性和床面附近層流的小尺度擬序結(jié)構(gòu)發(fā)展演化所致,如果擾動產(chǎn)生的切應(yīng)力接近床面泥沙固有頻率,則泥沙顆粒產(chǎn)生共振,床面發(fā)生最大的響應(yīng),沙紋發(fā)展速度最快。Colombini等[37]通過線性理論的方法分析了沙紋沙壟的形成機理,認(rèn)為沙紋、沙壟的形成是因為床面形態(tài)相對剪切力的滯后,沙紋是在較小的沙粒雷諾數(shù)和希爾茲數(shù)下形成的,沙壟是在較大的沙粒雷諾數(shù)和希爾茲數(shù)下形成的,沙波的成因與希爾茲數(shù)、沙粒雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、粗糙雷諾數(shù)都有關(guān)。

4 床面形態(tài)對紊流的影響

沙紋、沙壟是天然河流中常見的床面形態(tài),床面形態(tài)從根本上改變水流的邊界,對水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。掌握各種床面形態(tài)下的紊流結(jié)構(gòu)特點是研究床面對水流響應(yīng)的基礎(chǔ),也是進一步研究水沙相互作用的基礎(chǔ)。

4.1 床面粗糙度對紊流的影響

床面粗糙導(dǎo)致了紊流在空間上受位置的影響,特別是在高雷諾數(shù)、小水深條件下,床面粗糙度對水流紊動特性、渦結(jié)構(gòu)、床面阻力均產(chǎn)生重要的影響,但由于床面形態(tài)的多樣性,床面等效粗糙度等問題還存在不同的看法。

Bhagangar等[1]通過DNS法研究床面粗糙度對水流紊動特性的影響,認(rèn)為床面粗糙區(qū)的高度為床面突起高度的1.1倍,粗糙體的尺寸決定紊流能否影響到外區(qū),床面粗糙使得紊流各個方向的紊動強度降低,紊動強度的峰值減小,使低速帶的寬度增加,流向渦的半徑增大,渦在垂向上延伸得更遠。Bomminayuni等[4]用LES方法模擬床面粗糙度對紊流的影響,用象限分析法統(tǒng)計了噴射和清掃在雷諾應(yīng)力和異性湍流中占的比例,認(rèn)為粗糙床面的紊流異性比光滑床面要小,紊流特性方面的結(jié)論與Bhagangar的結(jié)論基本一致,紊動強度峰值隨著粗糙度增加而減小,但是橫向紊動強度變大,這與Bhagangar的結(jié)論不同,可能是他們在模擬中選用了不同形狀和不同分布的粗糙體導(dǎo)致的。Roussinova等[38]認(rèn)為,紊流異性和床面粗糙體的間距p與高度h的比值有關(guān),p/h的值決定了紊流異性增大還是減小,粗糙體的密度與分布對紊流的影響很重要。王憲業(yè)等[39]通過水槽試驗對粗糙床面的阻力進行了研究,得出了床面阻力與雷諾數(shù)、相對粗糙高度的關(guān)系,認(rèn)為粗糙床面阻力增加,能量由平均流速向紊動能轉(zhuǎn)化,并對Rouse的床面阻力系數(shù)公式做了進一步的改進,趙錦程等[40-41]也分別獲得了和王憲業(yè)類似的結(jié)論。

床面粗糙度對明渠紊流噴射角度、噴射和清掃的尺度以及平均猝發(fā)周期等有很大影響。毛野等[15]采用流場綜合分析法將流動顯示與計算機圖像處理相結(jié)合,在不同表面糙率的條件下重點研究了紊流的猝發(fā)形態(tài)和特性,結(jié)果表明增大粗糙雷諾數(shù)使群體噴射現(xiàn)象增多,噴射角度、噴射高度、平均猝發(fā)周期、噴射尺度以及清掃尺度均趨于增大。Imran[3]通過DNS法模擬了粗糙床面下的渦結(jié)構(gòu)變化,研究表明在水流分離和壓力梯度的作用下,渦的密度增加,渦半徑減小,說明產(chǎn)生了新的渦,同時渦的平均尺度發(fā)生了調(diào)整。Hardy等[42]通過流動顯示技術(shù)(DPIV)研究了粗糙床面的相干結(jié)構(gòu),并通過小波分析法計算分離區(qū)的長度,認(rèn)為床面粗糙引起的水流尾跡擺動是產(chǎn)生大尺度相干結(jié)構(gòu)的直接原因,同時還研究了雷諾數(shù)對大尺度結(jié)構(gòu)的影響,隨著雷諾數(shù)增大,相干結(jié)構(gòu)更明顯,紊動強度也更大。

4.2 沙波床面對紊流的影響

沙波頂部會產(chǎn)生邊界層水流分離,在波峰和再附著點之間形成回流區(qū),波谷附近的低速流體和它上層的高速流體相互作用,形成了剪切混合層,演變成猝發(fā)、噴射、泡漩等現(xiàn)象。沙波附近的紊流結(jié)構(gòu)對沖積河流的泥沙運動有重要的作用。

4.2.1 沙波形態(tài)對紊流特性的影響

沙波床面的流速分布不同于平床,回流區(qū)內(nèi)流速分布不再符合對數(shù)律,產(chǎn)生了負(fù)值。在外區(qū),不同沙波形態(tài)下的流速和雷諾應(yīng)力與平床情況基本相同。Noguchi等[43-44]在運動沙波床面上測量了不同時間、不同床面位置處的水流瞬時流速,認(rèn)為波峰處的時均流速較明渠變化不大,波谷處由于反向流的作用,時均流速變化較大;隨著沙波的發(fā)展,波峰的流速有增大趨勢,再附著點和波谷處的流速受水流回流的影響而變得更小,背水面的紊動強度和雷諾應(yīng)力增大。Omidyeganeh等[45]利用大渦模擬的方法研究了三維沙壟床面紊流,通過改變沙壟的波峰變形幅度、沙壟波長,分析它們對紊流結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:沙壟波峰處的流動分離改變了壁面壓力分布,也導(dǎo)致了高動量流體結(jié)構(gòu)和低動量流體結(jié)構(gòu)在床面的重新分布,三維床面增加了床面的水流拖曳力,無量綱化的紊動能較二維情況小。Xie等[6]通過大渦模擬研究了二維沙壟床面的紊流特性,認(rèn)為沙壟床面產(chǎn)生的紊流受自由表面變形的影響,通過比較表面可變形法和表面約束法,提出考慮表面變形的方法更準(zhǔn)確,其模擬在高雷諾數(shù)、小水深下完成,很好地體現(xiàn)了二次流的作用。

4.2.2 沙波對再附著點的影響

床面形態(tài)影響水流的分離長度,回流區(qū)的大小由波長、波高和水流強度決定。Liu[46]通過改變沙波模型的波長和波高進行了試驗,分析認(rèn)為波高越大,水流分離長度越大,分離長度是波高的4.2～7.74倍;López等[47]通過概化模型模擬了沙紋到沙壟過渡的過程,得出分離長度為3.7～5.9倍波高的結(jié)論。兩者的研究成果有所差異,是因為試驗過程中,模型的尺寸、水流的強度都不盡相同。對于真實沙波床面的情形,Noguchi等[43-44]實測了沙波形成各個階段的水流特性,分析了沙波形態(tài)的影響,認(rèn)為隨著沙波的發(fā)展,分離長度增大,最后趨近于5.5倍波高。

4.2.3 沙波床面對紊流高階矩的影響

床面形態(tài)對高階矩的影響主要包括對紊動產(chǎn)生項、紊動消耗項、紊動能的影響。紊動產(chǎn)生項值的大小反映能量從平均流速向紊動能轉(zhuǎn)化的多少,紊動消耗項則反映紊動能損失的多少。Noguchi等[43]研究了床面形態(tài)對紊動產(chǎn)生項和消耗項的影響,指出紊動產(chǎn)生項在水流分離處最大,紊動消耗項在回流區(qū)最大,說明紊動能在水流分離處產(chǎn)生的更多,在回流區(qū)消耗的更多。López等[47]通過改變床面形態(tài)模擬沙紋到沙壟過渡的過程,發(fā)現(xiàn)在床面發(fā)展過程中紊動產(chǎn)生項的值增大,認(rèn)為紊動對床面的發(fā)展起促進作用。

4.2.4 沙波床面對紊流結(jié)構(gòu)的影響

沙波頂部的水流分離產(chǎn)生了分離渦,剪切層內(nèi)的水流向內(nèi)作用形成清掃,向外作用形成泡漩。Stoesser等[5]利用大渦模擬計算研究了二維沙波附近的水流結(jié)構(gòu),認(rèn)為在再附著點附近,因為二次流的不穩(wěn)定性,流線彎曲并且向外運動導(dǎo)致泡漩渦發(fā)展成發(fā)夾渦。Nezu等[48]研究了沙波背水面的三維渦結(jié)構(gòu),認(rèn)為分離渦的平均周期隨雷諾數(shù)的增加而減小,泡漩渦的平均周期隨雷諾數(shù)的增加而增加;泡漩渦的渦強度更大。毛野等[15]通過概化沙紋試驗,研究得出分離渦的平均周期為0.46 s。Liu[46]研究了沙波形態(tài)對渦脫落周期的影響,認(rèn)為波高越大,渦脫落周期越長。Chang等[49]通過改變沙壟的形態(tài)研究發(fā)夾渦的產(chǎn)生機理,提出發(fā)夾渦是由床面附近的干擾導(dǎo)致的,并對帶狀結(jié)構(gòu)的形成起到了關(guān)鍵作用,非對稱的沙壟形態(tài)更有利于發(fā)夾渦的形成。Keshavarzi等[50]通過水槽試驗結(jié)合圖像處理技術(shù)研究了沙紋床面的紊流結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)清掃的發(fā)生頻率與沙波形態(tài)變化趨勢一致,而噴射的發(fā)生頻率與沙波形態(tài)變化趨勢不一致,提出泥沙的運動是被清掃作用控制的,并據(jù)此解釋了沙波迎水面沖刷、背水面淤積的現(xiàn)象。

4.2.5 運動沙波床面對水流結(jié)構(gòu)的影響

Gyr等[51]研究了泥沙運動對水流的影響,認(rèn)為泥沙輸移使流速偏離對數(shù)律的程度減小,對摩阻流速的影響可達到30%;同時泥沙輸移使得清掃的強度更高,沿垂向分布更加均勻,清掃的平均猝發(fā)周期則不受影響。Dey等[52]研究了泥沙剛剛起動時其對水流的影響,提出運動床面流速比定床更接近對數(shù)律的原因是紊動產(chǎn)生項更小,從而更少的能量從平均流速轉(zhuǎn)移到紊動能,使得流速更小地偏離對數(shù)律;同時還分析了清掃強度加大的原因,認(rèn)為流向和垂向向下的雷諾應(yīng)力分量增大,流體更多地向前、向下運動。

5 總結(jié)及展望

擬序結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)為明渠紊流研究注入了新的活力,隨著流動測試技術(shù)的發(fā)展,紊流擬序結(jié)構(gòu)的內(nèi)在機理研究正在逐步深入,這為床面形態(tài)和床面穩(wěn)定的研究奠定了更堅實的基礎(chǔ)。由于水沙相互作用的復(fù)雜性,還有很多機理性的問題沒有得到解決。筆者認(rèn)為今后應(yīng)在以下幾方面開展進一步研究:

a.三維床面形態(tài)對紊流結(jié)構(gòu)的影響。目前沙波床面的研究多數(shù)采用二維概化模型,而天然河流中的床面形態(tài)多為三維的,這就使得當(dāng)前多數(shù)的研究成果并不能真正反映實際河流的水沙運動特性,因此開展三維床面的紊流結(jié)構(gòu)研究具有重要的理論和實踐意義。

b.新的流體運動測量技術(shù)在水沙運動試驗中的應(yīng)用。目前對于非平整床面上水流結(jié)構(gòu)、泥沙運動的研究,更多采用的是數(shù)值模擬方法,試驗研究由于受到測量方法的限制,在相當(dāng)長一段時間內(nèi)沒有取得突破性的成果。隨著現(xiàn)代流體測量技術(shù)的發(fā)展,高精度的三維瞬態(tài)全場測量方法正在逐步研究完善,如何將其盡快應(yīng)用于紊流擬序結(jié)構(gòu)和泥沙運動力學(xué)試驗當(dāng)中,是今后應(yīng)進一步努力的方向。

c.沙波床面內(nèi)部滲流作用對泥沙運動特性的影響。當(dāng)前大多數(shù)有關(guān)沙波床面水沙運動的研究,往往只是將床面形態(tài)作為一個固定或可動的邊界,實際上沙波內(nèi)部同樣存在水流運動,滲流的作用將改變迎水坡、背水坡等不同位置處泥沙顆粒的受力狀態(tài),從而使泥沙的起動、揚動特性發(fā)生更為復(fù)雜的變化。開展明渠紊流與床面滲流綜合作用下泥沙運動特性的研究,對于進一步豐富完善泥沙運動力學(xué)、河床演變學(xué)理論具有重要意義。

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Research development of the interaction between turbulence structure and bedforms in open channel

TANG Limo1,2,SUN Huidong2,LIU Quanshuai2(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.College ofWater Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University,Nanjing 210098,China)

According to the latest researches at home and abroad,this paper summarized the research developments of the interaction between turbulent structure and bedforms,including research methods,turbulence characteristics in open channel flow,bedforms morphology influenced by turbulence,and turbulence characteristics influenced by bedforms.A greatmany achievements on the research of turbulence characteristics in open channel flow and characteristics ofwater flow and sedimentmotion over 2D bedforms have been obtained,yet the results cannot perfectly explain the sediment transport mechanism in natural rivers.Due to the limitation ofmeasurement technology,the research on interaction of turbulence and sedimentmovement under complex bedforms condition has not got obvious achievement for a long time.It is urgent to explore and introduce undisturbed and precise 3D flow measurement technologies.The geometrical morphology and evolution process of bedforms have been well known,while the mechanism of bedforms stability is controversial,neither theorymodels nor numericalmodels aremature enough,especially bedforms stability and sand movement characters under the combined action of interstitial flow and open channel flow are notwidely studied,which will be a research hot point in the future and become the basic of interaction mechanism between turbulence and sedimentmovement.

open channel;turbulence structure;turbulent characteristic;bedforms;bedforms evolution;review

TV143+.1

A

1006-7647(2015)02-0077-08

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.016

2014-07-15 編輯:熊水斌)

國家自然科學(xué)基金(51479070,51125034)

唐立模(1977—),男,山東煙臺人,副教授,博士,主要從事泥沙運動力學(xué)與河流動力學(xué)研究。E-mail:tanglimo@hhu.edu.cn