考虑颗粒形状效应与实验水槽几何影响的推移质通量变异性研究
地球物理
2026-03-17 v4 软凝聚态物质
流体动力学
摘要
即使在理想化的实验室条件下，湍流泥沙输运中推移质通量测量值的研究间差异也接近一个数量级。这种不确定性源于在确定输运驱动床面剪切应力时，用于考虑水槽几何效应的经验方法缺乏物理支撑，以及不同研究间颗粒形状的差异。本文推导了一种通用的床面剪切应力确定方法。该方法包括基于颗粒物理学的床面定义，以及通过柯尔莫哥洛夫湍流理论将雷诺应力与整体流动特性联系起来的渠道侧壁校正。将此方法应用于球形颗粒的推移质输运——以排除颗粒形状效应——可将来自现有实验室测量和颗粒解析CFD-DEM模拟的、针对各种水槽几何形状的数据汇聚到一条曲线上。相比之下，经典的侧壁校正以及另一种床面定义方法，无法普遍捕捉这些数据，尤其是来自浅水或极窄渠道流动的数据。随后，我们将该方法应用于一个扩展的、受控于颗粒形状的数据汇编，并辅以非球形颗粒的文献数据和来自非颗粒解析CFD-DEM模拟的数据。该汇编涵盖了非常多样化的输运条件，从极窄到无限宽的渠道，从浅水到深水渠道流动，从缓坡到陡坡床面，以及从弱输运到强输运。我们推广了一个现有的物理推移质通量模型以考虑颗粒形状效应，并证明该模型能以仅1.3倍的因子解释几乎所有汇编数据。
引用
@article{arxiv.2404.07689,
title = {Addressing bedload flux variability due to grain shape effects and experimental channel geometry},
author = {Thomas Pähtz and Yulan Chen and Jiafeng Xie and Rémi Monthiller and Raphaël Maurin and Katharina Tholen and Yen-Cheng Lin and Hao-Che Ho and Peng Hu and Zhiguo He and Orencio Durán},
journal= {arXiv preprint arXiv:2404.07689},
year = {2026}
}