沙波統計動力學特徵與沙波阻力的關係

《沙波統計動力學特徵與沙波阻力的關係》是依託河海大學，由秦傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：沙波統計動力學特徵與沙波阻力的關係
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：秦傑
• 依託單位：河海大學

項目摘要

沙波阻力是河流動力學和泥沙運動力學等領域的重要基礎科學問題,也是工程實踐中需要考慮的關鍵參數。沙質床面與水流相互作用過程是一個多尺度、非線性的物理過程,迄今為止對於沙波阻力的物理機制及相關基礎理論研究尚不充分。本研究目的在於從水流能量耗散角度來深入探索沙波阻力的物理機制,通過揭示沙波形態特徵與水流能量耗散之間的關係來理解和認識沙波阻力。本研究主要基於水槽實驗和野外觀測手段,通過分析沙波床面三維高程、床麵點高程時間空間序列、水流紊動數據以及泥沙輸移時間序列,揭示平衡態與非平衡態沙波床面三維空間形態特徵、沙波統計動力學特徵以及水流能量耗散特徵,在此基礎上深入探索沙波統計動力學特徵與水流能量耗散之間的關係,最後建立基於沙波統計動力學特徵的沙波阻力關係。研究成果將深化對沙波床面運動規律、水流能量耗散過程以及沙波阻力的認識。

結題摘要

本項目的研究工作集中在兩個方面：一個是沙波床面的三維結構特徵描述；一個是平衡態與非平衡態沙波床面的形態特徵區別。前一個問題著手於分析野外實測河流河床形態特徵，因為野外河流的河床比水槽實驗更能反應真實的沙波動態特徵。後一個研究則需要建立嚴格的平衡態與非平衡態對比，因此選擇水槽實驗數據進行了分析。目前沙波的“-3”冪律經常用來揭示沙波床面的統計特性。然而用於該冪律驗證數據大多是在實驗室測量得到，這樣就很容易達到平衡條件。而另一方面，真實的河流很少以穩定形態出現。這意味著真正的平衡條件是特殊情況而非普適情形。因此我們可以預期在真實的河流“-3”冪律是不常見的。本研究通過分析一條野外大型河流河床表面的能譜行為來定量揭示該問題。該研究的重點放在小波長沙波的能譜行為上。結果表明，小尺度波長的能譜行為顯著偏離“-3”冪律。隨後針對小波長沙波的能譜特性與流量之間的關係揭示，分析結果支持了這樣的假設，即次生沙波的發展會影響小尺度波長的能譜行為。對於第二個問題，我們分析了水槽試驗中, 砂礫表面平衡狀態的三個假設：輸沙、坡度和床面特徵三個平衡準則。當這些一維參數變得穩定時，我們一期望達水槽達到平衡。然而, 這種平衡狀態是建立在一維模型Exner 方程的基礎上的, 考慮到水流和泥沙運動過程的空間異質性，Exner 方程可能無法真正反映系統的平衡狀態。基於大規模循環水槽實驗，本研究揭示了砂礫床面的演化過程。對三種平衡準則的的客觀評價的基礎上，對床面形態的演化進行了進一步研究。主要研究結果包括：泥沙輸移率、水面和床面坡度、一維形態特徵大致同時達到平衡；二維床面形態在這些特徵達到平衡後依然演變，這一點由泥沙輸移過程所證實；數值模擬的結果表明，達到平衡狀態需要比我們預期的更長的時間。我們的研究結果表明，研究卵礫石表面的平衡形態特徵需要足夠的實驗時間，這遠遠超過一維平衡準則所反映的平衡時間。