項目名稱：    挾沙湍流的運動機理及動理學理論

推薦單位：    水利部

項目簡介：    本項研究屬于水利工程學科的水沙動力學研究領域。

挾沙水流的已有理論基礎是湍流擴散理論，一般采用清水湍流理論描述水流運動，泥沙的影響通過對清水湍流的結果修正得出，但實際存在著"泥沙運動如何影響湍流特性"和"高含沙水流的運動機理"等基礎問題亟待解決。通過大量的試驗和理論分析，對挾沙水流的湍流結構、高含沙水流的減阻現象和不穩(wěn)定性、挾沙水流的泥沙擴散、挾沙水流的兩相流理論等進行了系統研究，取得了如下成果：

建立了從低濃度到高濃度挾沙水流及顆粒流的動理學理論，理論分析得出新的濃度分布公式、速度分布及應力本構關系；提出了泥沙在明渠湍流中分布的統一公式，把Rouse, Laursen, Tanaka-Sugimoto, Velikanov, Hunt, Lane-Kalinske等六個公式統一在一個理論框架中；發(fā)現了推移質運動吸收水流的平均運動能量并向湍流動能轉換、降低平均流速、增大湍流強度，特別是增大低頻脈動能量；從試驗發(fā)現粘性高含沙水流的湍流發(fā)展分區(qū)，湍流結構分層和脈動能譜，發(fā)現過渡區(qū)湍流的近壁層流層、間歇湍流層、強湍流層等特性；從理論上推導出粘性高含沙水流的不穩(wěn)定性決定于表征屈服應力Sy和表征剛度系數Svis的相對大小，解出了任何小擾動的演化規(guī)律；從試驗發(fā)現粘性高含沙明渠流的減阻機理。

本項成果可以應用于一般挾沙水流模擬計算，也可以應用于黃河這樣的高含沙河流治理，對河流海岸治理及相關水利工程建設亦具有重要價值。10篇代表性論著自1983年以來被SCI論文引用252次，其中他引220次。專著1983年以來被中國期刊全文數據庫引用990次，其中他引930次；1999年以來被285篇博士、碩士學位論文引用。

主要發(fā)現點：  （1）揭示出從低流速到高流速、從低濃度到高濃度等不同流動條件下的泥沙運動機理的統一性，即水沙作用和泥沙間作用的力學機理一致，兩種作用隨流動條件的變化導致了不同流動模式的出現。

（2）試驗發(fā)現推移質吸收水流的平均運動能量并且轉換成湍流動能。推移質降低水流平均流速、增大湍流強度，特別是增大了低頻脈動能量。湍流強度的增加值與推移值輸沙率成正比。懸移質減小湍流強度，對于平均流速影響不大。粘土礦物顆粒顯著減少高頻脈動，同時挾帶細顆粒懸移質和推移質時，被懸移質減弱的湍流強度會由于推移質運動而顯著增強。

（3）發(fā)現粘性高含沙水流的湍流發(fā)展分區(qū)，湍流結構及分層。發(fā)現過渡區(qū)湍流的近壁層流層、間歇湍流層、強湍流層及擴散層和表面層。理論上推導出粘性高含沙水流的不穩(wěn)定性決定于Sy和Svis兩個無因次數的相對大小，解出了任何小擾動的演化規(guī)律。發(fā)現粘性高含沙明渠流減阻的緣故是由于粘土懸液的高粘性和屈服應力抑制了湍流的發(fā)展，減小了湍流脈動剪力。

（4）基于泥沙湍流的擴散理論得出泥沙在明渠湍流中分布的統一公式，把Rouse, Laursen, Tanaka-Sugimoto, Velikanov, Hunt, Lane-Kalinske等六個著名的公式統一在一個理論框架中。

（5）系統發(fā)展了挾沙湍流的動理學理論。建立了低濃度水沙兩相流的雙流體模型并獲得理論解，揭示出泥沙顆粒濃度分布和顆粒速度分布規(guī)律；推導出高含沙水流的應力本構關系，能夠適應流體與顆粒共同作用的中等濃度的含沙水流；推導出顆粒流的應力本構關系，并提出了判別碰撞應力大小的濃度標準。

主要完成人：  1.   王兆印

總結出泥沙不同運動模式的統一機理。試驗發(fā)現粘性高含沙水流的湍流發(fā)展分區(qū)，湍流結構、分層、和脈動能譜。發(fā)現過渡區(qū)湍流的近壁層流層、間歇湍流層、強湍流層、擴散層和表面層及其特性。理論上推導出粘性高含沙水流的不穩(wěn)定性決定于Sy和Svis兩個無因次數的相對大小，解出了任何小擾動的演化規(guī)律。試驗發(fā)現粘性高含沙明渠流減阻機理。

2.   王光謙

發(fā)展了挾沙湍流的動理學理論。建立了低濃度水沙兩相流的雙流體模型并獲得理論解，揭示出泥沙顆粒濃度分布和顆粒速度分布的規(guī)律；推導出高含沙水流的應力本構關系，能夠適應流體與顆粒共同作用的中等濃度的含沙水流；推導出顆粒流的應力本構關系，并提出了判別碰撞應力大小的濃度標準。

3.   萬兆惠

深入分析了近底高含沙流層對水流紊動結構、流速分布的影響；在室內復演了野外高含沙水流特有的槳河現象；進行了細顆粒高含沙河水中粗顆粒泥沙運動的水槽試驗和管路試驗，分析并認識了流速含沙量分布、床面形態(tài)及相應的阻力變化等機理。

4.   倪晉仁

提出了懸移質泥沙濃度分布的統一表達形式，使得國際上目前有代表性的著名公式都成為其特例。提出了懸移質泥沙濃度分布的I型和II型兩種分布類型，并用微觀動理論對其產生的條件和機理進行了合理的解釋。

5.   王興奎

試驗研究了懸沙紊動流場內部結構和泥沙運動的各種脈動特性、泥沙濃度分布特性及流速分布特性。

10篇代表性論文：  1.   Wan ZH, and Wang ZY, Hyperconcentrated Flow. Monograph Series of IAHR, A.A. Balkema Publishers, Netherlands, 1994.

2.   王光謙, 張紅武, 固液兩相流基本理論及其最新應用, 科學出版社, 北京, 1991.

3.   錢寧, 萬兆惠, 泥沙運動力學, 科學出版社, 北京, 1983, 1986, 1991, 2003; Qian Ning, and Wan Zhaohui, Mechanics of Sediment Transport, ASCE Press, 1999.

4.   Wang ZY, and Larsen P, 1994, Turbulent structure of water and clay suspensions with bed load, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.120, no. 5, pp. 577-600.

5.   Wang XK, and Qian N, 1989, Turbulence characteristics of sediment-laden flow, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 115, no. 6, pp. 781-800.

6.   Engelund F, and Wan ZH. 1984. Instability of hyperconcentrated flow, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 110, no. 3, pp. 219-233.

7.   Ni JR, and Wang GQ, 1991, Vertical sediment distrbution, ASCE,J.of Hydraulic Eng.， Vol.117, no.9, pp.1184-1194.

8.   Wang GQ, and Ni JR, 1991, The kinetic theory for dilute solid/liquid two-phase flows, International Journal of Multiphase Flow, Vol.17, no.2, pp. 273-281.

9.   Wang GQ, and Ni JR, 1990, Kinetic theory for particle concentration distribution in two-phase flow, Journal of Engineering Mechanics, Vol.116, no.12, pp.2738-2748.

10.  Wang GQ, Fu XD, Wang XK, 2005, Kinetic modeling of constitutive relations for particle motion in low to moderately concentrated flows, International Journal of Sediment Research, Vol. 20, no. 4