推移质输沙条带结构运动规律及流固耦合机理研究

作     者：姚家腾 谢晓熙 王浩 赵琳 谢皓南 郑荣添 

作者机构：福州大学土木工程学院 福建省水利厅 

出 版 物：《工程科学与技术》 (Advanced Engineering Sciences)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 

主　　题：图像处理 推移质 条带结构 紊流相干结构 流向涡模型 

摘      要：紊流、泥沙运动与床面地形演变之间存在密切关系，但彼此间相互影响关系尚缺乏定量研究。本文开展4组中低水流强度下的推移质输沙试验，通过图像处理技术、PTV(paticle tracking velocimetry)方法以及卡尔曼滤波算法分析泥沙颗粒运动规律。使用SFM方法重构冲刷后的3维床面，并利用PIV(particle image velocimetry)方法获取沙槽和沙脊区域二维瞬时流场，由修正的象限分析法量化分析紊流猝发事件，以研究紊流相干结构、泥沙运动以及床面地形之间相互作用机理。结果表明：1）随着水流强度(Θ=0.068～0.096)逐渐增大，推移质强度分布与床面地形共同展现出的条带结构由密集渐趋稀疏，宽度由窄转宽，数量逐渐减少，当0.068Θ0.096时，推移质输沙条带结构最为明显；2）通过对比推移质分布强度和床面地形，床面不同位置处对应着不同的泥沙运动情况，沙槽内的泥沙运动强度显著高于沙脊；3）在近壁区域内，相较于沙脊区域，沙槽区域扫掠事件的发生概率、持续时间、最大剪切应力和传输动量值均更大，但周期值更小。这是床面沙槽和沙脊形成的根本原因；4）间隔分布的推移质运动强度和床面沙槽沙脊结构以及凹凸槽处不同的紊流猝发现象结果验证了大尺度流向涡模型假设的合理性。紊流相干结构、推移质运动以及地形彼此间相互耦合，塑造了稳定且具时间平均尺度特征的床面结构。