可渗透与不可渗透沉积床上方湍流边界层流动的孔隙解析模拟

对湍流明渠流动进行孔隙解析直接数值模拟，比较不可渗透粗糙壁和光滑壁与渗透率雷诺数（$Re_K$）为2.6（代表水生床）的多孔沉积床上方湍流的结构与动力学。研究了四种构型：即（i）具有随机堆积沉积颗粒的可渗透床，（ii）具有与沉积床顶层匹配的完整粗糙元层的不可渗透壁，（iii）具有半层粗糙元层的不可渗透壁，以及（iv）光滑壁。采用双重平均方法计算平均速度、雷诺应力、形状诱导应力和湍动能收支。观察到可渗透床与不可渗透完整层壁情形中代表上升流和下降流的通量的平均速度、雷诺应力和形状诱导压力-速度关联在量级上相似。然而，对于不可渗透半层情形，壁面阻塞效应导致相较于可渗透床情形更高的流向应力和更低的壁法向应力。床面粗糙度增加雷诺切应力，而渗透性影响极小。与雷诺应力相反，床面渗透性显著影响形状诱导切应力。床面切应力统计表明，与光滑壁相比，可渗透床和粗糙壁情形中极端事件的概率增加。研究结果表明，床面渗透性会对 hyporheic 交换的建模产生显著影响，且其对边壁剪切和压力波动的影响通过至少考虑沉积床顶层能更好捕捉。