山区卵砾石河道低流速旋转涡流水-床界面垂向紊动特征研究

作     者：魏世辰 王跃森 刘超 李龙国 李乃稳 

作者机构：四川大学水利水电学院 四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室 

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

年 卷 期：2025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] 

基　　金：四川省科技计划重点项目(2023YFS0377) 国家自然科学基金面上项目(52379073) 

主　　题：山区河流 颗粒床层 涡旋流 紊动特征 水流交换 

摘      要：在山区河流的深潭、浅滩、边滩、块石绕流和交汇处等，水流受微地形影响，除了沿河流方向的流动外，还存在大量的局部旋转涡流。这些微地貌区域流态复杂，水体与床层交换剧烈，尤其是携带了大量营养物或污染物的悬浮颗粒的沉积，形成了物理和化学多样性的生境，为河流生态多样性提供了物质基础。本文采用室内模型实验的方法，模拟河流涡旋区水-床相互作用，利用粒子成像测速技术（PIV）结合床层脉动压力测量，研究床面紊流特征和压力沿床层深度分布的规律，从而探究涡旋区水体与床层间水流和物质交换的机制。研究发现，因界面颗粒凹凸，界面流场呈现高流速区和低流速区的涡流条带结构特征和时间随机过程变化。流速脉动幅值随流速和床层粒径增大而增大，脉动频率随床层粒径减小而降低。流速大的区域，涡量值大，涡的尺度与颗粒粒径尺度相同，湍流涡相互剪切、混掺作用强，紊动能和耗散率值大。脉动流速象限分析表明，湍流猝发随着界面颗粒粒径和流速增加而猝发概率增大，进而增强水体与床层水流交换，如床层粒径为12 mm，流速为0.42 m/s时，猝发概率为96.8%，喷射和扫掠事件更为发散，存在更多的强紊流事件。而床层粒径为3 mm，流速为0.26 m/s时，猝发概率仅为50%,湍流猝发概率大大减小。脉动流速与脉动压力时间随机过程分析表明，脉动压力与流速变化过程显著负相关，流速峰值与压力谷值对应。界面处脉动压力最大，并沿床层深度呈自然指数规律衰减，且不同深度脉动压力随机过程中压力最大值呈现时间不不同步特征，出现明显相位差。正是在这种界面紊流引起的时间随机过程不同相位差和压力脉动值差驱动下，水流在界面颗粒床层出现喷射和扫掠等猝发事件，进而促使界面上水流与孔隙水流产生“泵吸交换，进而推动河流水体与床层间悬浮颗粒与溶质运移。本文研究为揭示山区河流水流与颗粒床层间细微悬浮颗粒和溶质以及水流竖向交换提供了研究基础。