重访湍流床沙输移中的坡度影响：对垂向流动结构与输移率标度的影响
地球物理
2018-02-14 v2
摘要
重力驱动的湍流床沙输移（turbulent bedload transport）因对自然河道床面形态演化等地表过程的重要性，在过去一个世纪中被广泛研究。本文在考虑稳态均匀流条件的理想化框架内，研究了纵向河道倾角对重力驱动湍流床沙输移的影响。基于两相连续方程的解析分析表明：(i) 临界 Shields 数的经典坡度修正基于错误的浮力公式；(ii) 坡度的影响并不限于临界 Shields 数，而是波及整个输移公式；(iii) 从坡度影响角度看，压力驱动与重力驱动的湍流床沙输移并不等价。进一步分析颗粒流驱动机制发现，纵向坡度不仅影响流体床面剪切应力与颗粒床阻力，还影响颗粒床内部的流体流动——后者负责从床沙输移向泥石流的过渡。这些耦合机制的相对影响使我们能够理解颗粒流垂向结构的演化，并预测作为重标度 Shields 数函数的输移率标度律。该理论分析通过理想化重力驱动湍流床沙输移的流固耦合离散元模拟得到验证，模拟覆盖了宽广的 Shields 数、密度比与河道倾角范围。特别地，当将沉积物输移率视为所提重标度 Shields 数的函数时，所有数据均坍缩至一条主曲线。
引用
@article{arxiv.1701.02665,
title = {Revisiting slope influence in turbulent bedload transport: consequences for vertical flow structure and transport rate scaling},
author = {Raphael Maurin and Julien Chauchat and Philippe Frey},
journal= {arXiv preprint arXiv:1701.02665},
year = {2018}
}