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粗糙床面振荡流边界层的三维格子玻耳兹曼模拟研究

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摘要

在河口海岸地区，粗糙床面振荡流边界层与泥沙运动、床面阻力特征以及波能衰减等密切相关，深入理解粗糙床面振荡流边界层的运动规律具有十分重要的理论与工程意义。本文采用三维格子玻耳兹曼方法对粗糙床面振荡流边界层进行了全尺度直接数值模拟，系统研究了边界层紊动特性、床面颗粒受力以及床面阻力特征。本文的具体研究内容和结论如下：
　　 (1)将三维格子玻耳兹曼模型应用于光滑床面水动力特性、光滑床面单颗粒受力情况以及粗糙床面流动特性等振荡流边界层相关问题的验证计算，与已有实验数据和数值计算结果进行了比较，结果表明格子玻耳兹曼方法从介观尺度研究振荡流边界层水动力特性和颗粒受力是十分有效的。
　　 (2)粗糙床面振荡流边界层的格子玻耳兹曼模拟结果表明，床面紊动随着振幅雷诺数Rea和参数d/δ(粒径与边界层厚度的比值)的增大而增强，横向流动随之得到加强，压强的分布也逐渐变得不对称，横向力效应逐渐显现。根据量纲分析确定Rea、d/δ为力系数的主要影响因素，分析了床面上颗粒受力系数的变化规律，并在其基础上引入孔隙率参数表征床面颗粒布置形式的影响，拟合得到了max和max的表达式。
　　 (3)利用粗糙床面振荡流边界层格子玻耳兹曼模拟结果，采用对数律适线法并基于拟合残差平方和最小原理可以获得较好的理论床面位置、等效粗糙高度以及摩阻流速的结果。
　　 (4)对于由一层布置成四边形构型或六边形构型的球体颗粒形成的固定平整粗糙床面，其理论床面位于颗粒顶部以下0.19～0.25倍粒径之间，而无量纲等效粗糙高度ks/d则主要集中在2.8附近，与传统推荐值2.5比较接近。
　　 (5)通过对数律适线法获得的定床无量纲底面摩阻流速在正、反向流动中均呈现出正弦变化趋势，其最大值出现的相位超前于边界层外部流速最大值的相位，在本文计算的相对粗糙度a/ks=0.47～6.58范围内，其相位差在10°～30°之间变化。当a/ks值较小时，摩阻系数fn.并未出现传统观点认为的趋近常数的趋势，而是随着a/ks的减小而逐渐增大，呈指数型变化。

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