湍流自由流与渗透性床层之间流动相互作用的大涡模拟

由覆盖在渗透性床层上的湍流通道流组成的系统可见于多种工业和自然应用中（例如城市规划、水力压裂、沉水植被）。该系统的一个重要实现位于河流底部，此处河流的地表水渗入沉积物并与地下水交换其内容物。全面了解这一被称为潜流交换的过程，对于理解和维护水质及河流生态至关重要。鉴于所关注的长度尺度（毫米到千米）和相应时间尺度范围广泛，常使用降阶数值模型（例如随机粒子追踪、对流-弥散方程）来研究该系统中质量和动量的输运。然而，与地表/地下混合相关的众多尺度使得开发高保真度的湍流标量输运模型成为一项艰巨挑战。为了在孔隙尺度上捕捉输运行为，本工作专注于开发一个详细的三维流动模型，用于渗透性床层上湍流的大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）。对计算网格、域大小和湍流模型进行了严格评估。同时，采用双重平均方法研究了存在时空异质性时的大尺度、持续性流动行为。研究发现，准确解析最大的湍流尺度对于全面了解界面输运是必要的，并且这些大尺度结构在床层内部更深处也能被感知到。此外，详细阐述了一个粒子追踪软件模块的开发。该模块为从 LES 中提取拉格朗日弥散信息奠定了基础，这些信息最终将用于物理上为降阶模型提供信息。