项目名称：    挟沙湍流的运动机理及动理学理论

推荐单位：    水利部

项目简介：    本项研究属于水利工程学科的水沙动力学研究领域。

挟沙水流的已有理论基础是湍流扩散理论，一般采用清水湍流理论描述水流运动，泥沙的影响通过对清水湍流的结果修正得出，但实际存在着"泥沙运动如何影响湍流特性"和"高含沙水流的运动机理"等基础问题亟待解决。通过大量的试验和理论分析，对挟沙水流的湍流结构、高含沙水流的减阻现象和不稳定性、挟沙水流的泥沙扩散、挟沙水流的两相流理论等进行了系统研究，取得了如下成果：

建立了从低浓度到高浓度挟沙水流及颗粒流的动理学理论，理论分析得出新的浓度分布公式、速度分布及应力本构关系；提出了泥沙在明渠湍流中分布的统一公式，把Rouse, Laursen, Tanaka-Sugimoto, Velikanov, Hunt, Lane-Kalinske等六个公式统一在一个理论框架中；发现了推移质运动吸收水流的平均运动能量并向湍流动能转换、降低平均流速、增大湍流强度，特别是增大低频脉动能量；从试验发现粘性高含沙水流的湍流发展分区，湍流结构分层和脉动能谱，发现过渡区湍流的近壁层流层、间歇湍流层、强湍流层等特性；从理论上推导出粘性高含沙水流的不稳定性决定于表征屈服应力Sy和表征刚度系数Svis的相对大小，解出了任何小扰动的演化规律；从试验发现粘性高含沙明渠流的减阻机理。

本项成果可以应用于一般挟沙水流模拟计算，也可以应用于黄河这样的高含沙河流治理，对河流海岸治理及相关水利工程建设亦具有重要价值。10篇代表性论著自1983年以来被SCI论文引用252次，其中他引220次。专著1983年以来被中国期刊全文数据库引用990次，其中他引930次；1999年以来被285篇博士、硕士学位论文引用。

主要发现点：  （1）揭示出从低流速到高流速、从低浓度到高浓度等不同流动条件下的泥沙运动机理的统一性，即水沙作用和泥沙间作用的力学机理一致，两种作用随流动条件的变化导致了不同流动模式的出现。

（2）试验发现推移质吸收水流的平均运动能量并且转换成湍流动能。推移质降低水流平均流速、增大湍流强度，特别是增大了低频脉动能量。湍流强度的增加值与推移值输沙率成正比。悬移质减小湍流强度，对于平均流速影响不大。粘土矿物颗粒显著减少高频脉动，同时挟带细颗粒悬移质和推移质时，被悬移质减弱的湍流强度会由于推移质运动而显著增强。

（3）发现粘性高含沙水流的湍流发展分区，湍流结构及分层。发现过渡区湍流的近壁层流层、间歇湍流层、强湍流层及扩散层和表面层。理论上推导出粘性高含沙水流的不稳定性决定于Sy和Svis两个无因次数的相对大小，解出了任何小扰动的演化规律。发现粘性高含沙明渠流减阻的缘故是由于粘土悬液的高粘性和屈服应力抑制了湍流的发展，减小了湍流脉动剪力。

（4）基于泥沙湍流的扩散理论得出泥沙在明渠湍流中分布的统一公式，把Rouse, Laursen, Tanaka-Sugimoto, Velikanov, Hunt, Lane-Kalinske等六个著名的公式统一在一个理论框架中。

（5）系统发展了挟沙湍流的动理学理论。建立了低浓度水沙两相流的双流体模型并获得理论解，揭示出泥沙颗粒浓度分布和颗粒速度分布规律；推导出高含沙水流的应力本构关系，能够适应流体与颗粒共同作用的中等浓度的含沙水流；推导出颗粒流的应力本构关系，并提出了判别碰撞应力大小的浓度标准。

主要完成人：  1.   王兆印

总结出泥沙不同运动模式的统一机理。试验发现粘性高含沙水流的湍流发展分区，湍流结构、分层、和脉动能谱。发现过渡区湍流的近壁层流层、间歇湍流层、强湍流层、扩散层和表面层及其特性。理论上推导出粘性高含沙水流的不稳定性决定于Sy和Svis两个无因次数的相对大小，解出了任何小扰动的演化规律。试验发现粘性高含沙明渠流减阻机理。

2.   王光谦

发展了挟沙湍流的动理学理论。建立了低浓度水沙两相流的双流体模型并获得理论解，揭示出泥沙颗粒浓度分布和颗粒速度分布的规律；推导出高含沙水流的应力本构关系，能够适应流体与颗粒共同作用的中等浓度的含沙水流；推导出颗粒流的应力本构关系，并提出了判别碰撞应力大小的浓度标准。

3.   万兆惠

深入分析了近底高含沙流层对水流紊动结构、流速分布的影响；在室内复演了野外高含沙水流特有的桨河现象；进行了细颗粒高含沙河水中粗颗粒泥沙运动的水槽试验和管路试验，分析并认识了流速含沙量分布、床面形态及相应的阻力变化等机理。

4.   倪晋仁

提出了悬移质泥沙浓度分布的统一表达形式，使得国际上目前有代表性的著名公式都成为其特例。提出了悬移质泥沙浓度分布的I型和II型两种分布类型，并用微观动理论对其产生的条件和机理进行了合理的解释。

5.   王兴奎

试验研究了悬沙紊动流场内部结构和泥沙运动的各种脉动特性、泥沙浓度分布特性及流速分布特性。

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

2.   王光谦, 张红武, 固液两相流基本理论及其最新应用, 科学出版社, 北京, 1991.

3.   钱宁, 万兆惠, 泥沙运动力学, 科学出版社, 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