振荡流中波纹的直接数值模拟

海浪波纹是由振荡流与可侵蚀沙床相互作用产生的小尺度床形。本文通过直接数值模拟研究海浪波纹的形成现象，其中沉积床由大量完全解析的球形颗粒表示。采用两组参数值，其设定源于层流滚动颗粒波纹形成的实验室实验。关于波纹起源的认识目前因所获得的流体与沉积相关量（这些量在实验室中难以获取）的见解而得以丰富。对流动与沉积床演化的详细分析证实，波纹波长由稳态再循环单元的作用决定，这些单元倾向于将沉积颗粒聚集到波纹波峰。观察到波纹振幅呈指数增长，与已有的线性稳定性分析理论一致。床面颗粒表现出两种运动，取决于其相对于再循环单元的位置：位于波纹波峰的颗粒明显更快且表现出比位于波谷的颗粒更大的位移。类比于多分散沉积物的分选现象，速度场的不均匀分布促进了波纹的形成。快速与慢速颗粒位移之间的差距越大，由此产生的波纹增长率越大。最后揭示，在无湍流情况下，沉积物通量由床面剪切应力与波致压力梯度共同驱动，二者各自的主导性取决于振荡周期的相位。在床面剪切应力最大相位，沉积物通量与Shields数更相关，而压力梯度在床面剪切应力最小相位倾向于驱动沉积床运动。