水沙兩相渾水模型的紊流封閉及初步驗證

黃 海，張紅武，張 磊，鐘德鈺，3

（1. 清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京100084；2. 中國水利水電科學研究院 泥沙研究所，北京100048；3. 青海大學 三江源生態(tài)與高原農牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧 810016）

1 研究背景

由于復雜的固液相間作用和顆粒碰撞等機制的影響，挾沙水流的紊流特性比清水要復雜得多。在早期，受挾沙水流紊動認識的限制，張紅武［1-2］、Johansen［3］、Greimann 等［4］、Toorman［5］和鐘德鈺等［6-7］采用經驗或半經驗公式對固、液相的紊動變量進行計算，但都存在一定的局限性，只能適用于恒定均勻的低含沙水流。鑒于此，Oliveira 等［8］、Jha 等［9］和Chen 等［10］采用不同形式的單相k-?模型對液相的紊動變量進行計算，對于固相紊動變量通過建立其與液相紊動變量的代數關系進行確定。然而，挾沙水流紊動與清水明顯不同，泥沙對挾沙水流紊動強度有顯著影響，目前學術界主要存在三種觀點，即紊動增加［11］、紊動減小［12］和紊動不變［2］。泥沙對挾沙水流紊動既有促進的因素，又有抑制的因素，紊動變化是多種因素綜合作用的結果［13］。因此，清水k-?模型結合固相經驗公式的方法只能適用于低濃度的、顆粒粒徑較小的挾沙水流，在這種情況下固液相間作用才可以被忽略。

對于沖積河流而言，泥沙顆粒與水流的幾何特征尺度相比都比較小，因此，當挾沙水流的泥沙濃度不是非常低，水沙兩相流的系綜平均成立的條件下，水流中運動的泥沙和挾帶泥沙運動的水流都可以看作連續(xù)介質，此時，挾沙水流是一種典型的固液兩相流［7］。……