孫建軍，張慶河

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

海岸河口及港口工程

后臺(tái)階下游水流泥沙運(yùn)動(dòng)模擬研究

孫建軍，張慶河

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

利用計(jì)算流體力學(xué)軟件OpenFOAM和離散元軟件LIGGGHTS建立的水流-泥沙運(yùn)動(dòng)耦合模型對(duì)后臺(tái)階下游三維水流流動(dòng)及泥沙的起動(dòng)和輸運(yùn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)一方程紊流模型能較好模擬臺(tái)階下游時(shí)均流場(chǎng)、紊動(dòng)強(qiáng)度以及雷諾應(yīng)力的分布，通過(guò)耦合模型計(jì)算得到的臺(tái)階下游泥沙起動(dòng)概率以及床面輸沙率分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。計(jì)算結(jié)果揭示在臺(tái)階下游復(fù)雜水流條件下，紊流結(jié)構(gòu)及渦旋運(yùn)動(dòng)對(duì)泥沙起動(dòng)有重要作用，而時(shí)均流動(dòng)對(duì)床面輸沙起關(guān)鍵作用。

LES?DEM耦合模型；后向臺(tái)階流；動(dòng)態(tài)一方程紊流模型；泥沙運(yùn)動(dòng)

復(fù)雜流動(dòng)下的泥沙起動(dòng)和輸運(yùn)是河流、海岸工程研究的重點(diǎn)課題，一直受到人們的關(guān)注。目前，復(fù)雜流動(dòng)下的泥沙輸運(yùn)問(wèn)題通常依賴于經(jīng)驗(yàn)公式，往往通過(guò)床面切應(yīng)力公式或挾沙力公式得到輸沙率［1-3］來(lái)進(jìn)行計(jì)算。近年來(lái)，隨著離散元法（DEM）的發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與離散元法（DEM）耦合數(shù)值模型，從細(xì)觀尺度模擬水流泥沙運(yùn)動(dòng)得到了快速發(fā)展［4-6］，能夠刻畫(huà)大量泥沙顆粒在近床面運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)，它有可能揭示復(fù)雜流動(dòng)下泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。蘇東升等［7］基于計(jì)算流體力學(xué)開(kāi)源軟件OpenFOAM、離散顆粒開(kāi)源軟件LIGGGHTS以及CFDEM耦合庫(kù)［8-9］，建立了描述水流泥沙運(yùn)動(dòng)的離散顆粒模型，從細(xì)觀尺度研究了明渠流中近床面泥沙的一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但將其應(yīng)用于復(fù)雜流動(dòng)下泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的工作幾乎沒(méi)有，本文將在上述工作的基礎(chǔ)上研究后臺(tái)階下游的三維水流與泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1 LES?DEM耦合模型

1.1流體控制方程及紊流模型

1.1.1 控制方程

OpenFOAM中，考慮顆粒組分影響的三維不可壓流體運(yùn)動(dòng)的控制方程由以下連續(xù)性方程和動(dòng)量方程組成

式中：αf為流體所占據(jù)的體積分?jǐn)?shù)；f為流體的速度向量；p為流體壓力；為重力加速度向量；為流體有效應(yīng)力的張量；pf為顆粒與流體之間交換的動(dòng)量項(xiàng)。

1.1.2 紊流模型

為了使整個(gè)控制方程封閉，運(yùn)用大渦模擬（LES）方法，LES方程向N?S動(dòng)量方程中引入了額外的應(yīng)力，稱為亞格子尺度應(yīng)力（簡(jiǎn)稱SGS應(yīng)力），為求解SGS應(yīng)力，其中以渦粘假設(shè)為基礎(chǔ)的理論公式如下

Samgorinsky模型是目前廣泛應(yīng)用的亞格子模型，但由于其采用單一常數(shù)Cs計(jì)算νsgs，會(huì)存在耗散過(guò)大問(wèn)題［10］。因此本文采用動(dòng)態(tài)一方程模型，即計(jì)算系數(shù)隨空間和時(shí)間調(diào)整的動(dòng)態(tài)模型

式中：ksgs代表亞格子紊動(dòng)動(dòng)能，采用以下控制方程求解

1.2 顆粒運(yùn)動(dòng)控制方程

LIGGGHTS顆粒模型中，離散顆粒的運(yùn)動(dòng)遵循牛頓第二定律，其控制方程包含平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩部分［11］

為準(zhǔn)確合理地描述顆粒運(yùn)動(dòng)，確定顆粒之間和顆粒與固壁間受力以及顆粒所受的流體作用力是模型的關(guān)鍵。蘇東升［7］的研究結(jié)果表明，顆粒之間和顆粒與固壁間的接觸碰撞采用Hertz?Mindlin無(wú)滑移軟球模型[12]，流體作用于顆粒上的拖曳力采用Benyahia拖曳力公式[13]可以較好描述上述相互作用力。

圖1 計(jì)算域（單位：m）Fig.1 Computational domain

1.3顆粒與流體運(yùn)動(dòng)的耦合

LES?DEM耦合模型，流體運(yùn)動(dòng)采用OpenFOAM中基于PISO算法的瞬態(tài)不可壓縮流體求解器求解，顆粒運(yùn)動(dòng)采用LIGGGHTS計(jì)算，利用基于Open?FOAM程序框架的CFDEM耦合庫(kù)完成流體和顆粒之間的相互作用力計(jì)算及信息傳遞。其計(jì)算過(guò)程分以下步驟［14］

（1）LIGGGHTS程序計(jì)算顆粒運(yùn)動(dòng)；

（2）CFDEM耦合庫(kù)計(jì)算顆粒所在網(wǎng)格單元的體積分?jǐn)?shù)；

（3）CFDEM耦合庫(kù)計(jì)算流體與顆粒之間相互作用力，從而得到動(dòng)量交換項(xiàng)；

（4）耦合庫(kù)計(jì)算得到的相互作用力傳遞至LIGGGHTS程序；

圖2 臺(tái)階下游平均流速剖面（Z=2.5D處）Fig.2 Mean streamwise velocity profiles at the downstream of the stepZ=2.5D

（5）基于動(dòng)量交換項(xiàng)，OpenFOAM程序求解流體運(yùn)動(dòng)，并傳遞至CFDEM耦合庫(kù)；

（6）重復(fù)步驟1～5。

圖3 臺(tái)階下游時(shí)均流速矢量場(chǎng)圖（Z=2.5D處）Fig.3 Mean streamwise velocity vectors at the downstream of the stepZ=2.5D

2 后臺(tái)階流場(chǎng)模擬

為保證模型流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的合理性，首先對(duì)臺(tái)階下游床面無(wú)泥沙顆粒的情況進(jìn)行數(shù)值模擬并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較以驗(yàn)證模型的合理性。計(jì)算域范圍為-5D≤X≤20D，0≤Y≤5D 0≤Z≤5D，D為臺(tái)階高度，計(jì)算域如圖1所示。

入流邊界水流流速根據(jù)對(duì)數(shù)流速剖面原理給定［15］

式中：u為不同水深處的流速；u*為摩阻流速；ν表示運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；κ表示卡門(mén)常數(shù)，取0.41，保證模擬的入流平均流速U0=0.2 m/s，流動(dòng)雷諾數(shù)ReD=U0D/ν=5 000，上邊界采用滑移邊界條件，底邊界采用無(wú)滑移邊界條件，Z軸方向設(shè)為循環(huán)邊界。上述計(jì)算條件與Jovic和Driver實(shí)驗(yàn)條件一致[16]。

根據(jù)Le等[17]模擬研究，本文模擬時(shí)間取ttotal=400D/U0=50 s，流場(chǎng)時(shí)均統(tǒng)計(jì)時(shí)間取ΔTave=109D/U0≈14 s，可以獲得合理時(shí)均流場(chǎng)與紊動(dòng)特征。

2.1 時(shí)均流速剖面驗(yàn)證

根據(jù)大渦模擬的瞬時(shí)流場(chǎng)進(jìn)行時(shí)均統(tǒng)計(jì)，得到臺(tái)階下游平均流速剖面。圖2給出了本文計(jì)算得到的平均流速剖面與Jovic和Driver實(shí)驗(yàn)[16]的對(duì)比結(jié)果，可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。圖3為臺(tái)階下游時(shí)均流速矢量場(chǎng)圖，由圖可知，在臺(tái)階后流動(dòng)會(huì)出現(xiàn)分離，形成回流區(qū)，超過(guò)這一位置，分離流重新附著床面（再附），逐漸恢復(fù)為對(duì)數(shù)剖面，可以看出X=4D位置處在回流區(qū)內(nèi)，X=6D位置在再附點(diǎn)附近。

2.2 紊動(dòng)強(qiáng)度與雷諾應(yīng)力驗(yàn)證

圖4～圖6顯示了后臺(tái)階下游紊動(dòng)強(qiáng)度與雷諾應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖7為臺(tái)階下游紊動(dòng)強(qiáng)度分量與雷諾應(yīng)力的三維剖面圖。由圖可知，在0.5D高度臺(tái)階位置，流向和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度都較強(qiáng)，在床面附近，流向紊動(dòng)強(qiáng)度較大，而垂向紊動(dòng)強(qiáng)度則較小。

圖4 臺(tái)階下游流向紊動(dòng)強(qiáng)度剖面Fig.4 Relative streamwise turbulence intensity profiles at the downstream of the step

3 臺(tái)階下游泥沙輸運(yùn)模擬

3.1 模擬參數(shù)設(shè)定

劉春嶸［18］采用圖像技術(shù)研究了后臺(tái)階下游床面泥沙的起動(dòng)概率，并建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，為方便對(duì)比驗(yàn)證模型，本文采用與劉春嶸實(shí)驗(yàn)相同的模型布置，在臺(tái)階下游20D長(zhǎng)度范圍內(nèi)隨機(jī)鋪設(shè)100 000個(gè)泥沙顆粒，顆粒直徑d=0.425 mm，密度 ρs=1 400 kg/m3，計(jì)算流體密度ρf=1 000 kg/m3，動(dòng) 力 粘 滯 系 數(shù)μ=10-6kg/m·s，顆粒計(jì)算的Hertz?Mindlin無(wú)滑移“軟球”模型參數(shù)如表1所示，流體與顆粒計(jì)算的時(shí)間間隔分別為Δtf=10-3s和Δtp=10-5s，顆粒每計(jì)算100步與流體進(jìn)行一次耦合。

本文根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)速度的大小來(lái)判斷泥沙是否起動(dòng)，在某時(shí)刻t，沿臺(tái)階下游以0.4D寬為間隔分區(qū)域統(tǒng)計(jì)不同位置處的泥沙起動(dòng)概率Pit，起動(dòng)的顆粒數(shù)目與該區(qū)域顆?？倲?shù)之比即為該區(qū)域t時(shí)刻的泥沙起動(dòng)概率Pit，統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔為0.05 s，共取200個(gè)時(shí)刻值進(jìn)行平均，從而得到該位置處的泥沙起動(dòng)概率Pi。

圖5 臺(tái)階下游垂向紊動(dòng)強(qiáng)度剖面Fig.5 Relative vertical turbulence intensity profiles at the downstream of the step

圖6 臺(tái)階下游雷諾應(yīng)力剖面Fig.6 Relative Reynolds stress profiles at the downstream of the step

圖8 給出了本文計(jì)算得到的臺(tái)階下游不同位置處泥沙的起動(dòng)概率Pi，并與劉春嶸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，可以看出，本文計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本一致，在靠近臺(tái)階區(qū)域泥沙起動(dòng)概率較低，隨著距臺(tái)階距離的增大，泥沙起動(dòng)概率逐漸增大，在再附點(diǎn)振蕩區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大值。

3.2 泥沙輸運(yùn)

目前關(guān)于床面泥沙輸運(yùn)問(wèn)題的研究，大部分是基于平直槽道流動(dòng)下的結(jié)果，一般都以床面切應(yīng)力作為泥沙起動(dòng)輸運(yùn)的水動(dòng)力因素［19］，而在復(fù)雜流動(dòng)條件下，由于渦旋以及強(qiáng)紊動(dòng)作用的存在，只考慮平均床面切應(yīng)力因素并不合適，Nelson等[20]利用LDV測(cè)速技術(shù)對(duì)后臺(tái)階下游泥沙輸運(yùn)與紊動(dòng)相互作用問(wèn)題進(jìn)行了研究，Dou等［21］將渦量強(qiáng)度、紊動(dòng)強(qiáng)度等因素等權(quán)重線性疊加，建立了輸沙率模型，這些工作都是對(duì)復(fù)雜流動(dòng)下泥沙運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力機(jī)制的初步探索，這里采用大渦模擬準(zhǔn)確模擬流場(chǎng)，并與離散顆粒模型耦合，從細(xì)觀尺度上研究復(fù)雜流動(dòng)條件下泥沙的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

圖7 臺(tái)階下游紊動(dòng)強(qiáng)度及雷諾應(yīng)力分布圖Fig.7 Turbulence intensity and Reynolds stress profiles at the downstream of the step

本文根據(jù)Nelson等人[20]的實(shí)驗(yàn)布置進(jìn)行算例設(shè)計(jì)，臺(tái)階高度D=0.04 m，泥沙顆粒粒徑服從高斯分布，中值粒徑d50=0.9 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為σ=0.1 mm，密度ρs=2 650 kg/m3，泥沙顆粒隨機(jī)均勻平鋪在臺(tái)階下游床面，共計(jì)415 000個(gè)顆粒。

初始計(jì)算時(shí)，固定泥沙顆粒直至流場(chǎng)紊流充分發(fā)展穩(wěn)定后，釋放床面泥沙顆粒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并持續(xù)模擬30 s。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析取后20 s時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)。沿著臺(tái)階下游順流方向，以0.01 m寬為間隔分區(qū)域計(jì)算不同位置處的瞬時(shí)輸沙率qsx，再進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)平均得到不同位置處的平均輸沙率qˉsx。根據(jù)泥沙顆粒的瞬時(shí)速度可以計(jì)算得到泥沙的瞬時(shí)輸沙率，公式如下

表1 模型中顆粒參數(shù)Tab.1 Particle parameters used for the present simulation

無(wú)量綱輸沙率公式如下

圖8 臺(tái)階下游不同位置處的泥沙起動(dòng)概率比較Fig.8 Comparison of the sediment incipient probability at the downstream of the step

式中:up,i為第i個(gè)泥沙顆粒的速度；Vp,i為第i個(gè)泥沙顆粒的體積；A為模擬區(qū)域平面的面積；ρs為顆粒密度。

圖9～圖10給出了臺(tái)階下游床面附近（Y=0.005 m）不同位置處的平均流速及流向紊動(dòng)強(qiáng)度，圖11為臺(tái)階下游縱向時(shí)均流速矢量場(chǎng)圖，圖12給出了后臺(tái)階下游的平均無(wú)量綱輸沙率qˉ*，并與Nelson的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及Schmeeckle模擬結(jié)果［22］進(jìn)行了比較，可以看出，在回流區(qū)內(nèi)，平均輸沙率為負(fù)，床面泥沙向上游輸運(yùn)，在平均再附點(diǎn)（X/D≈6）附近，雖然由于大尺度渦的存在導(dǎo)致紊動(dòng)強(qiáng)度較大，泥沙起動(dòng)概率較大，但附近平均流速接近為零，故造成床面平均輸沙率較低。

圖9 臺(tái)階下游不同位置處的平均流速（Y=0.005 m）Fig.9 Mean streamwise velocity at the downstream of the stepY=0.005 m

圖10 臺(tái)階下游不同位置處的流向紊動(dòng)強(qiáng)度（Y=0.005 m）Fig.10 Streamwise turbulence intensity at the downstream of the stepY=0.005 m

圖11 臺(tái)階下游時(shí)均流速矢量場(chǎng)圖（Z=0.05 m處）Fig.11 Mean streamwise velocity vectors at the downstream of the stepZ=0.05 m

圖12 臺(tái)階下游不同位置處的平均無(wú)量綱輸沙率比較Fig.12 Comparisons of mean dimensionless sediment transport rates at the downstream of the step

4 結(jié)論

本文利用計(jì)算流體力學(xué)軟件OpenFOAM和離散元軟件LIGGGHTS建立的水流-泥沙運(yùn)動(dòng)耦合模型，從細(xì)觀尺度研究了后臺(tái)階下游三維紊流流動(dòng)以及床面泥沙的起動(dòng)和輸運(yùn)內(nèi)部機(jī)制，主要得到以下結(jié)論：

（1）動(dòng)態(tài)一方程紊流模型能較為準(zhǔn)確地模擬后臺(tái)階下游復(fù)雜的三維紊流流動(dòng)，計(jì)算得到的時(shí)均流速、紊動(dòng)強(qiáng)度及雷諾應(yīng)力剖面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，保證了模型水動(dòng)力條件的合理性。

（2）分析得到0.5D高度臺(tái)階處，流向和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度都較強(qiáng)，在床面附近，流向紊動(dòng)強(qiáng)度較大，而垂向紊動(dòng)強(qiáng)度較小。

（3）模擬得到的臺(tái)階下游平均輸沙率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為一致，回流區(qū)內(nèi)平均輸沙率為負(fù)，床面泥沙向上游輸運(yùn)，平均再附點(diǎn)附近，雖然大尺度渦的存在導(dǎo)致紊動(dòng)強(qiáng)度較大，泥沙起動(dòng)概率較大，但由于附近平均流速接近為零，造成平均輸沙率較低。

（4）在后臺(tái)階下游復(fù)雜流動(dòng)條件下，渦旋及紊動(dòng)作用對(duì)泥沙起動(dòng)起主要作用，而對(duì)泥沙輸運(yùn)起重要作用的是時(shí)均流動(dòng)。

［1］Niemann S L，F(xiàn)reds?e J，Jacobsen N G.Sand dunes in steady flow at low Froude numbers：Dune height evolution and flow resis?tance［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2010，137（1）：5-14.

［2］Chou Y J，F(xiàn)ringer O B.A model for the simulation of coupled flow?bed form evolution in turbulent flows［J］.Journal of Geophysical Research：Oceans，2010，115（C10）.

［3］Nguyen Q，Wells J C.A numerical model to study bedform development in hydraulically smooth turbulent flows［J］.Journal of Hy?draulic Engineering，2009，53（1）：157-162.

［4］王光謙，孫其誠(chéng).顆粒物質(zhì)及其多尺度結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)規(guī)律［J］.工程力學(xué)，2009，26（S2）：1-7. WANG G Q，SUN Q C.Granular matter and the scaling laws［J］.Engineering Mechanics，2009，26（S2）：1-7.

［5］Zhu H P，Zhou Z Y，Yang R Y，et al.Discrete particle simulation of particulate systems：a review of major applications and findings［J］.Chemical Engineering Science，2008，63（23）：5 728-5 770.

［6］肖鋒軍，郭烈錦，王躍社，等.三維混合沙輸運(yùn)數(shù)值模擬［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2012，33（2）：259-262. XIAO F J，GUO L J，WANG Y S，et al.A 3?dimensional simulation of mixed sand transport［J］.Journal of Engineering Thermophys?ics，2012，33（2）:259-262.

［7］蘇東升，張慶河，孫建軍，等.基于CFD-DEM耦合方法的近床面水流泥沙運(yùn)動(dòng)模擬研究［J］.水道港口，2016，37（3）：224-230. SU D S，ZHANG Q H，SUN J J，et al.Simulation of fluid?sediment particle motion near bed based on CFD?DEM coupling method［J］.Journal of Waterway and Harbor，2016，37（3）：224-230.

［8］Sadaghiani M R S，Jentsch H，F(xiàn)aulstich K，et al.DEM modeling and identification of representative element volume of soil skeleton［J］.Numerical Methods in Geotechnical Engineering，2014：403.

［9］Zhao J，Shan T.Coupled CFD?DEM simulation of fluid?particle interaction in geomechanics［J］.Powder technology，2013，239：248-258.

［10］張海濤，曹曙陽(yáng).基于動(dòng)態(tài)亞格子模型的方柱繞流大渦模擬［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，29（3）:434-439. ZHANG H，CAO S Y.Large Eddy Simulation of Flow Past a Square Cylinder Based on Dynamic Sub?Grid Scale Models［J］.Jour?nal of Shenyang Jianzhu University，2013，29（3）:434-439.

［11］胡國(guó)明.顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.

［12］孫其誠(chéng)，光謙.顆粒物質(zhì)力學(xué)導(dǎo)論［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［13］Benyahia S，Syamlal M，O'Brien T J.Extension of Hill?Koch?Ladd drag correlation over all ranges of Reynolds number and solids volume fraction［J］.Powder Technology，2006，162（2）：166-174.

［14］Goniva C，Kloss C，Hager A，et al.An open source CFD?DEM perspective［J］.Proc Openfoam Workshop，2010.

［15］劉春晶，李丹勛，王興奎.明渠均勻流的摩阻流速及流速分布［J］.水利學(xué)報(bào)，2005，36（8）：0950-0955. LIU C J，LI D X，WANG X K.Experimental study on friction velocity and velocity profile of open channel flow［J］.Journal of Hy?draulic Engineering，2005，36（8）:0950-0955.

［16］Jovic S，Driver D M.Backward?facing step measurements at low Reynolds number，Reh=5000［J］.NASA Tech Mem，1994:94.

［17］Le H，Moin P，Kim J.Direct numerical simulation of turbulent flow over a backward?facing step［J］.Journal of Fluid Mechanics，1997，330（1）：349-374.

［18］劉春嶸.復(fù)雜流動(dòng)下底床局部沖刷實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，2003.

［19］Rijn L C V.Sediment Pick?Up Functions［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1984，110（10）:1 494-1 502.

［20］Nelson J M，Shreve R L，McLean S R，et al.Role of near?bed turbulence structure in bed load transport and bed form mechanics［J］.Water Resources Research，1995，31（8）：2 071-2 086.

［21］Dou X B.Using A 3?D Model to predict local scour［C］//Steven R.Water Resource Engineering 98.Memphis，Tennessee，ASCE，1998:198-203.

［22］Schmeeckle M W.The role of velocity，pressure，and bed stress fluctuations in bed load transport over bed forms：numerical simu?lation downstream of a backward?facing step［J］.Earth Surface Dynamics，2015，3（1）：105.

Simulation of fluid?sediment particle motion at the downstream of backward?facing step flow

SUN Jian?jun，ZHANG Qing?he
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Using computational fluid dynamics software OpenFOAM and particle motion simulation software LIGGGHTS，a coupled fluid?particle model was presented and applied in the investigation of three?dimensional tur?bulence，sediment incipience and sediment transport at the downstream of the backward?facing step flow.The simu?lation results show that the dynOneEqEddy LES model can describe the mean velocity profile，the turbulence inten?sity and the distribution of Reynold stress well.The probability of sediment incipience and the sediment flux ob?tained by the coupled model at the downstream of the backward?facing step agree well with the experiment.The re?sults indicate that the turbulence and large?scale vortices induce the sediment incipience and the mean flow contrib?utes to its transport in the case of complex flows at the downstream of the backward?facing step.

LES?DEM coupled model;backward?facing step flow;dynOneEqEddy LES model;sediment mo?tion

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2017）02-0109-06

2016-11-03；

2017-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51179122）

孫建軍（1990-），男，山東省濰坊人，碩士研究生，主要從事港口海岸及近海工程研究。

Biography：SUN Jian?jun（1990-），male，master student.