中等相对淹没度下全粗糙壁面明渠流的直接数值模拟

对规则排列球体床面上的明渠流进行了直接数值模拟，基于球体直径的总体雷诺数和粗糙度雷诺数分别约为 6900 和 120，此时流动处于全粗糙区。明渠高度约为球体直径的 5.5 倍。本研究扩展了 Chan-Braun 等人（J. Fluid Mech., vol. 684, 2011, 441）在过渡粗糙区明渠流中获得的结果，旨在揭示当流动达到全粗糙区时流动结构如何变化，并首次实现与实验观测的直接对比。结果表明，在粗糙元附近，平均流场同时受雷诺数效应和粗糙元几何特征的影响，而在较大的壁面距离处则并非如此，此时粗糙度概念可以适用。流动与粗糙度的相互作用主要发生在速度剖面虚拟原点以上的区域，形状诱导速度脉动的效应在球冠高度处达到最大。球冠附近湍流速度脉动的展向长度尺度与在光滑壁面上方观测到的尺度表现出相同的对壁面距离的依赖性，且两者均以相似的方式随雷诺数变化。此外，还研究了粗糙元所受的水动力和力矩。最后，讨论了采用类比方法描述湍流结构与平坦光滑壁面或球体表面相互作用所产生的水动力的可能性，并在过渡粗糙区和全粗糙区中区分了表面摩擦和形状阻力的贡献。