基于WMLES方法的復式斷面明渠三維紊流數值模擬

曾 誠，丁少偉，周 婕，王玲玲，陳 辰

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098； 2.河海大學力學與材料學院，江蘇 南京 210098)

在平原地區，天然河道和人工渠道斷面大多為復式結構，包括主槽和灘地。平時水流主要集中在主槽中流動，汛期水流漫過灘地，主槽和灘地共同過流，形成復式斷面流動。由于主槽和灘地上水流之間較大的流速差異，導致在灘槽交界處出現較大的動量交換，使得內部水流結構體現出三維流動特征。在垂直于主流的橫斷面上，出現由紊流驅動的二次流，引起橫向的物質輸運、岸坡沖刷等問題。因此，研究復式斷面明渠紊流的三維流動特征，對于河道行洪斷面設計和加固具有重要意義。

許多學者對復式斷面明渠灘槽交界處二次流和動量交換機理進行了試驗和理論研究。Rajaratnam等[1]、Myers[2]、Wormleaton等[3]、Tominaga等[4]、Shiono等[5]、Sanjou等[6]先后對復式斷面明渠紊流進行了試驗測量，對主槽和灘地間的動量交換機理進行了研究。他們的研究結果表明灘槽交界面上的切應力比固體邊界上的平均剪切應力大許多倍，證明復式斷面明渠流動中橫向動量交換強于垂向動量交換，在流動中占據主導地位。

在復式斷面明渠流的數值模擬研究方面，大量成果均基于雷諾時均方程的渦黏性紊流模型。Sofialidis等[7]發現當相對水深比和雷諾數較小時，非線性k-ω模型比非線性k-ε模型有更好的表現。林斌良等[8]采用非線性k-ε模型和雷諾應力模型(Reynolds stress model，RSM)對復式斷面明渠紊流進行了模擬研究，結果表明兩種模型均能較好地模擬復式斷面明渠三維紊流結構，RSM得出的主流速分布更接近試驗結果，兩種模型得出的雷諾應力分布趨勢與試驗結果一致，但在數值上偏大較多?！?br>