第４３卷第２期
２ ０ ０ ３ 年 ３ 月
大 连 理 工 大 学 学 报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ ．４３ ，Ｎｏ ．２
Ｍａｒ ．２ ０ ０ ３
文章编号 ：１０００唱８６０８（２００３）０２唱０２２３唱０７
收稿日期 ：２００２唱０２唱１０ ； 修回日期 ：２００３唱０１唱２８ ．
基金项目 ：香港特别行政区研究资助委员会资助项目 （５０４８ ／９９Ｅ） ．
作者简介 ：宿晓辉 （１９７３唱） ，男 ，博士 ；李志伟（１９６０唱） ，男 ，教授 ；陈壁宏 （１９２９唱） ，男 ，教授 ．
带 有 植 物 的 河 道 水 流 浅 水 紊 流 运 动 大 涡 模 拟
宿 晓 辉
１
， 张 建 新
２
， 李 志 伟
３
， 陈 璧 宏
１
（ １ ．大连理工大学 土木水利学院 ，辽宁 大连 １１６０２４ ；
２ ．东北财经大学 ，辽宁 大连 １１６０２３ ；
３ ．香港理工大学 土木与结构工程系 ，中国 香港 ）
摘要 ：
针对浅水问题研究了带有植物的河道水流紊流运动 ．建立了浅水问题的大涡模拟紊
流运动模型 ｋ
唱
ｌ ＬＥＳ ，应用该模型模拟计算了两组实验 ，对带有植物的河道水流紊流运动机理
进行了分析 ，并将计算结果与实验结果进行了比较 ，验证了 ｋ
唱
ｌ ＬＥＳ 模型计算结果的正确性 ．
关键词 ：河道 ；植物 ；紊流运动 ／ 大涡模拟 ；浅水问题
中图分类号 ：ＴＶ１４３畅１ 文献标识码 ：Ａ
０ 引 言
近来 ，流经植物的水流运动形态正在逐渐引
起人们的注意 ．洪水期水中植物的存在抬高了河
道的水位 ，改变了河道水流形态 ，减小了河道水流
平均流速 ，并且迫使部分河道水流能量转换成了
在植物附近产生的紊流脉动动能 ，消耗了水流动
能 ，使河道的泄洪能力降低 ．但是 ，到目前为止 ，
植物的存在对河道水流的影响仍处于研究阶段 ．
日本的 ＫＨＬ 组 Ｔｓｕｊｉｍｏｔｏ 等人
［１
～
３］
使用先
进的激光 Ｄｏｐｐｌｅｒ 风速仪 ，经过实验研究认为在
植物水域与主流水域交界处产生的强烈的动量交
换起因于该区域有组织的低频的横向脉动速度 ，
而随之而来的该区域水体的自由表面的起伏脉动
则是使该现象持续发生的主要原因 ．在其实验中
发现的水平大尺度涡旋 ，在其他研究人员的实验
中也同样被发现 ．为此人们认为应该对出现在实
验中的有植物水域与无植物水域交界处的大尺度
涡旋进行正确的评价 ．
Ｎａｏｔ 等人
［４］
发展了一种三维紊流代数应力
模型（ＡＳＭ ） 来研究在河岸生长有植物的宽矩形
复合断面河道的水流动力反应 ．一种经验现象模
型被添加到代数应力模型中 ，用来模拟植物对水
流的阻碍效应 ，并且在研究中详细说明了由于植
物的加入使控制方程出现的新的变量的物理意义
和有效表达式 ．植物对水流的阻力作用表现为对
水流质点的拉应力和阻碍流体运动对流体所做的
功 ．但是 ，类似传统的统计 ｋ
唱ε
模型 ，这种三维紊
流代数应力模型不能对水平大尺度涡旋连续结构
及动态发展进行模拟 ，同时 ，也不能反映不同几何
形状的河道水流紊流运动 ．
Ｎａｄａｏｋａ 和 Ｙａｇｉ
［５］
应用大涡模拟技术提出
了一种二维沿水深积分的浅水方程模型 ，该模型
可对生长有植物的河道水流进行计算 ．其在水深
方向提出了次水深尺度 （ＳＤＳ） 紊流的概念 ，用来
模拟三维紊流在长度尺度小于水深时的情况 ，并
假定次水深尺度紊流在水平与垂直方向有相同的
紊流特征长度尺度 ．紊流脉动动能由能量传输方
程给出 ，在脉动动能输运方程中包括了由水中植
物产生的紊流脉动动能 ，紊流脉动动能的计算参
数由 ｋ
唱
ｌ 模式确定 ．该模型应用于对生长有植物
的河道水流形态的模拟上取得了较好的结果 ．通
过模型数值计算 ，清晰地计算出了实验中出现的
有序的大涡结构 ，其河道横断面的流速分布与实
验结果符合较好 ，自由水面的波动频率也与实验
结果相差无几 ．但是 ，该模型也存在着缺陷 ：求解
二维空间平均的浅水方程和紊流脉动动能传输方
程得到的只是沿水深平均的结果 ，反映不出流速
与紊流脉动动能沿水深的变化 ；模型中将次水
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