基于动理学理论的床沙冲刷函数

作     者：贾宝真 张磊 李肖男 钟德钰 JIA Baozhen;ZHANG Lei;LI Xiaonan;ZHONG Deyu

作者机构：清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100048 青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室青海西宁810016 

出 版 物：《水利学报》 (Journal of Hydraulic Engineering)

年 卷 期：2017年第48卷第7期

页      面：779-790页

核心收录：

学科分类：0710[理学-生物学] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0815[工学-水利工程] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0802[工学-机械工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(51379102 51609264) 

主　　题：冲刷函数 动理学理论 速度分布函数 床沙冲刷通量 

摘      要：针对泥沙研究中床面泥沙冲刷函数以经验公式为主,难以深入分析紊流随机因素作用下床面泥沙运动与冲刷强度的力学联系的问题,本文基于泥沙运动的动理学理论建立了床面泥沙冲刷函数。论文中,在动理学理论框架下将床沙冲刷通量表示为单位面积和单位时间内在紊流升力、拖曳力、重力等作用下离开床面的泥沙质量(体积)的统计系综平均,并采用泥沙运动的动理学方程确定了冲刷函数中床面泥沙运动的速度分布函数这一关键统计力学变量。论文还将得到的冲刷函数与3家80组不同来源的实验数据以及3家冲刷函数进行了对比,并作为冲刷边界条件用于悬移质输沙的计算。结果表明,本文得到的冲刷函数不仅具有更好的理论基础,且冲刷通量计算值与实验值符合良好,相对误差在[-0.5~0.5]之间的数据占所有数据的87.2%,相比其他冲刷函数具有更好的计算精度;作为边界条件计算得到的冲刷过程中悬移质浓度分布也较好地复原了实验过程。本文的研究表明,基于动理学理论的冲刷函数既反映了微观状态下拖曳力、升力等随机性外力对床面颗粒运动的影响,又反映了颗粒运动的统计规律,从而能更准确地从力学本质上反映水流强度及颗粒大小等对冲刷通量的影响规律,体现了动理学理论在分析床面泥沙运动特征的优势。