湍流振荡边界层中泥沙输运的界面解析直接数值模拟

通过积分 Navier-Stokes 方程与连续性方程，对振荡边界层内的流动进行了数值模拟，该流动近似于小振幅传播海浪在底部附近产生的流动。底部由可自由运动的球形颗粒组成，用以模拟泥沙颗粒。该方法可完全解析颗粒周围的流动，并评估流体作用于其表面的力与力矩。随后，通过 Newton-Euler 方程显式计算泥沙的动力学。在现阶段模拟的流动雷诺数最小值下，流动状态属于间歇湍流态，即自由来流速度接近最大值时出现湍流，但在周期的其余阶段流动恢复为类层流行为。在雷诺数最大值下，湍流在几乎整个流动周期中都显著。对泥沙输运率的评估可估计常用于预测海浪输沙量的经验公式的可靠性。对于较大的 Shields 参数值，加速阶段的泥沙流率与减速阶段观察到的无差异。然而，对于相对较小的 Shields 参数值，运动颗粒的量不仅取决于底部剪切应力，还取决于流动加速度。此外，数值结果提供了关于湍流涡对泥沙动力学作用的信息。