湍流沉积物输运的数值模拟：从推移质到跃移质

我们利用基于离散元方法（DEM）耦合连续雷诺平均流体动力学描述的两相数值模拟，研究了沉积物输运随颗粒与流体密度比的变化。在密度比接近 1 时（通常在水下），垂向速度非常小，沉积物输运发生在静态床面的一薄层内，称为推移质。当流体施加在移动颗粒与静态颗粒界面上的剪切应力降至其阈值时，达到稳态或“饱和”输运。因此，单位面积上输运的颗粒数量受限于向床面的水平动量通量。然而，输运层内的流体速度几乎不受扰动，使得平均颗粒速度与剪切速度 $u_*$ 成比例。在密度比较大时（通常在空气中），垂向速度足够大，使输运层变宽且变稀。此时沉积物输运称为跃移质。在这种情况下，颗粒在与颗粒床碰撞时能够溅射出其他颗粒，这一过程称为溅射。单位面积上输运的颗粒数量由侵蚀与沉积之间的平衡决定，当一次碰撞后统计上恰好由一个颗粒替换一个颗粒时达到饱和，其结果是平均颗粒速度保持与 $u_*$ 无关。我们系统地研究了密度比的影响，以揭示这两种输运状态之间的转变。基于稳态情况下识别的机制，我们讨论了沉积物输运饱和的瞬态过程，特别是饱和时间和饱和长度。最后，我们研究了移动相与静态相之间的颗粒交换，并确定了颗粒的交换时间。