12、沙质床面水流特性与湍流场研究

沙质床面水流特性与湍流场研究

1. 分离流特性

沿河床起伏，水流随下游距离发展，其主要特性取决于在床形单元上的位置。沙质床形单元上方的水流可分为多个不同的流动区域，其中，在床形波峰下游通常会出现水流分离区。

水流分离是由于边界方向的快速变化导致的，这种现象在尖顶床形上较为常见。水流分离对相关的水流湍流和泥沙输移过程起着关键的控制作用。在波峰下游一定距离处，水流会重新附着于边界（即再附着点或区域）。分离区的长度 (l) 与床形高度有关，常见的 (l/h) 值约为 4 - 5。

当水流在波纹或沙丘波峰附近分离时，分离区顶部会产生高剪切区域。这个高剪切区域是分离“气泡”（内部无净下游水流）与上方主流之间的过渡区域，在该区域会产生强烈的湍流混合。在水流分离区内，常观察到水流回流现象，即流体缓慢向上游移动。这种反向流动是由于剪切层内的湍流混合以及再附着处部分剪切层向上游转向导致的。

剪切层在分离区与上方主流的界面处形成，并向下游扩散，从而在流场中形成尾流结构。在剪切层或分离区与外部水流的界面处，湍流强度和雷诺应力达到最大值。在再附着点附近，瞬时床面剪切应力变化很大，遇到漩涡时可能会出现极高的值。

再附着区下游会形成内部边界层。由于水流重新与床面接触，其特性会逐渐适应边界条件。在这个区域，水流因地形作用而加速，从再附着点到床形波峰。沿着内部边界层，随着水流在床形上游表面加速，局部速度梯度和床面剪切应力会发生系统性变化。在床形的上游（迎流面），流体向波峰移动时压力降低，压力梯度为负（有利），会产生促使水流加速的净力；在波峰下游，压力增加，压力梯度为正（不利），会产生阻碍水流运动的净力，导致水流减速。

内部边界层的发展还受到上方高度湍流