论文摘要
明槽挟沙水流中的泥沙扩散是泥沙运动力学研究中的基本课题,泥沙扩散系数研究是其中的一个核心内容。广泛的室内试验和野外实测研究表明,泥沙垂向扩散系数εs沿垂线具有类似抛物线分布、抛物-常数型分布、向水面渐增分布等不同类型。由于边壁影响下的水沙相间作用和泥沙粒间作用,泥沙扩散机理十分复杂,泥沙垂向扩散系数εs的量化仍以经验或半经验模型为主,模型模拟结果千差万别,对试验和实测结果也难以合理反映。这除了泥沙扩散系数公式的机理不完整之外,用于泥沙扩散系数计算的水流紊流模型也是可能原因。本文以基于水沙两相流的动理学理论、包含泥沙漂移扩散和水流紊动扩散等机制的泥沙扩散系数模型为基础,对比分析不同水流紊流模型对泥沙扩散系数计算的影响。其中,基于紊流混合长理论,根据流速分布对数尾流律和修正对数尾流律,分别建立了泥沙扩散系数计算的模型A和模型B;应用紊流双方程模式,建立了基于k-ε经验方程的模型C和基于k-ε输运方程的模型D。在窄深水槽流动和宽浅水槽流动等不同试验条件下,数值比较了四种计算模型对水流涡粘性系数νft、水流Lagrange积分时间尺度TL、泥沙扩散系数εs等的模拟再现能力。结果表明,水流紊流模型对νft、TL和εs的量化有显著影响:（1）模型A给出的νft、TL和εs在水流流速最大位置点处为零,在水底与该位置之间为类似抛物线型分布。（2）模型B在宽浅水槽流动中的行为与模型A类似;在窄深水槽流动中,νft和εs在水流中上部近似为常数,TL自水流底部向水面近似线性增加。（3）模型C和模型D给出的TL自水流底部向水面近似线性增加。在水流中上部,模型C的νft逐渐向水面缓慢衰减,εs向水面渐增或缓慢衰减;模型D的νft接近常数或向水面缓慢增加,εs向水面渐增、递减或近似为常数。总体上,基于紊流混合长理论的模型,形式简单,但适用范围有限。基于k-ε双方程紊流模式的模型,能够再现不同类型的泥沙扩散系数分布,适用范围广。深化水流Lagrange积分时间尺度研究将促进泥沙扩散系数模型的发展。