摘要：近年來(lái)大量學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)以及數(shù)值模擬等方法對(duì)明渠湍流中粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，逐步揭示了明渠湍流中粒子運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性的本質(zhì)和規(guī)律，并將成果應(yīng)用于河流泥沙輸移、河流地貌演變以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。鑒于明渠湍流具有明顯的分區(qū)效應(yīng)，其湍流流速分布、分區(qū)結(jié)構(gòu)組成以及相干結(jié)構(gòu)分布特性等對(duì)水中粒子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程均會(huì)產(chǎn)生顯著影響，對(duì)水中粒子在明渠湍流結(jié)構(gòu)中的整體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、湍流結(jié)構(gòu)內(nèi)區(qū)以及外區(qū)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)；重點(diǎn)闡述了近壁區(qū)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的反?，F(xiàn)象和原因，以及湍流結(jié)構(gòu)中粒徑、密度和Stokes數(shù)這3個(gè)影響粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程的主要因素。研究成果可為泥沙運(yùn)動(dòng)以及生態(tài)保護(hù)等研究及應(yīng)用提供參考。

關(guān) 鍵 詞：明渠湍流； 固液兩相流； 粒子跟隨性； 湍流分區(qū)結(jié)構(gòu)

中圖法分類號(hào)： TV142 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.023

0 引 言

在自然界和工程實(shí)踐中，湍流中的粒子運(yùn)動(dòng)無(wú)處不在，如泥沙、魚卵和污染物在河流中的運(yùn)動(dòng)，以及粉塵在大氣中的運(yùn)動(dòng)等。鑒于不同粒子的屬性和流體的流動(dòng)特性，固液兩相中粒子與流體之間的相互作用十分復(fù)雜［1］。

對(duì)于固液兩相流的研究，具有相當(dāng)悠久的歷史，過(guò)去約20 a間，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于粒子跟隨性問(wèn)題的研究碩果累累。粒子隨水運(yùn)動(dòng)，常常伴有縱向、垂向以及展向（橫向）3個(gè)方向的擴(kuò)散［2-3］，因此粒子跟隨性的優(yōu)劣，常常會(huì)影響粒子隨水運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。對(duì)粒子的跟隨性問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)論述，對(duì)研究泥沙遷移運(yùn)動(dòng)［4］、水中污染物傳播擴(kuò)散規(guī)律［5］以及漂流性魚卵資源保護(hù)［6-7］等問(wèn)題具有實(shí)際意義。本文在經(jīng)典湍流分區(qū)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)典型湍流流動(dòng)中粒子-流體的相互作用及其影響因素的研究成果進(jìn)行梳理，以期為未來(lái)的研究探索理清思路。

1 湍流流速分布及分區(qū)結(jié)構(gòu)

眾所周知，自然界的一般水流都為無(wú)規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)。相較于層流，湍流的運(yùn)動(dòng)更加復(fù)雜，流速變化具有明顯的區(qū)域差異，因此需要對(duì)湍流進(jìn)行分區(qū)，才能更加清晰地闡述水流結(jié)構(gòu)分布規(guī)律及其中粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1.1 湍流的流速分布

Keulegan［8］劃時(shí)代地將邊界層對(duì)數(shù)流速分布引入到了明渠水流中，拓寬了明渠水流流速分布研究的方向。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，和邊界層理論類似，光滑壁面的明渠流動(dòng)存在著黏性底層，流速在黏性底層中呈現(xiàn)出線性分布，

1.2 湍流分區(qū)結(jié)構(gòu)

在平均流速剖面的基礎(chǔ)上，經(jīng)典的近壁湍流模型應(yīng)運(yùn)而生［11］。明渠湍流可被分為兩個(gè)部分：內(nèi)區(qū)（近壁區(qū)）和外區(qū)。內(nèi)區(qū)主要受運(yùn)動(dòng)黏度γ以及摩擦速度uτ的控制，外區(qū)主要受到水流深度h以及最大速度umax的控制［10］。對(duì)于湍流分區(qū)結(jié)構(gòu)，本文對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行整理歸納，表1和圖1分別為邊界層的區(qū)域范圍［12］以及分區(qū)［13］示意圖。

其中：y+為距壁面距離的無(wú)量綱化，y+=y/δv=uτy/γ（y為距壁面距離，δv為黏性長(zhǎng)度標(biāo)度）；δ為邊界層厚度；u0為渠道流平均中心線流速。

1.3 湍流的相干結(jié)構(gòu)分布特性

邊界層中存在的相干結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是流體熱量、動(dòng)量和質(zhì)量傳達(dá)的載體，與粒子的運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)［14］。在上述邊界層分區(qū)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同分區(qū)內(nèi)的相干結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)［15］。

（1） 位于黏性近壁區(qū)（0＜y+＜40）的條帶結(jié)構(gòu)或（準(zhǔn)）流向渦。Kline等［16］使用氫氣泡流動(dòng)顯示技術(shù)，率先在邊界層內(nèi)區(qū)觀察到了近壁區(qū)的條紋結(jié)構(gòu)和“猝發(fā)”事件。條紋結(jié)構(gòu)包括高低速條紋結(jié)構(gòu)，兩者大致上沿著流向分布，在展向方向呈現(xiàn)出周期性的交替排列規(guī)律［17］。在緩沖層及其以上的近壁區(qū)內(nèi)（即y+＜60），順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的流向渦占據(jù)主導(dǎo)地位，并且與近壁區(qū)的條紋結(jié)構(gòu)形成密切相關(guān)。許春曉等［13］總結(jié)了兩者之間在展向方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系（見圖2），流向渦的兩側(cè)分別為高、低速流體，在其左側(cè)伴隨著“噴射”事件（即Q2事件），右側(cè)伴隨著“掃掠”事件（即Q4事件），并且Q2（Q4）事件是整個(gè)湍流區(qū)動(dòng)能的主要來(lái)源［18］，兩者統(tǒng)稱為“猝發(fā)”事件。

（2） 在低對(duì)數(shù)層間（40＜ y+＜100）的（準(zhǔn)）發(fā)夾渦。在低對(duì)數(shù)區(qū)，流向渦向上抬升進(jìn)而形成了發(fā)夾渦，其主要特征是兩個(gè)沿流向拉伸的渦腿和一個(gè)展向抬升的弓形渦頭，形似馬蹄狀，也稱馬蹄渦［19］。Adrian等［20］指出，Q2事件占據(jù)了發(fā)夾渦的內(nèi)部，Q4事件聚集在發(fā)夾渦的上游，在兩者的結(jié)合處形成有一定傾斜角度的剪切層，并存在流動(dòng)的“駐點(diǎn)”。

（3） 在遠(yuǎn)對(duì)數(shù)層及尾跡區(qū)（30＜y+＜ Reτ）的發(fā)夾渦包。在壁面湍流之中，單個(gè)發(fā)夾渦一般不會(huì)單獨(dú)存在，而是由多個(gè)單發(fā)夾渦沿流向間隔排列形成發(fā)夾渦包，存在于遠(yuǎn)對(duì)數(shù)層及尾跡區(qū)之中，并且它們的遷移速度十分接近［21-22］。Adrian［23］指出，壁面湍流是由不同尺度發(fā)夾渦渦包組成的層級(jí)結(jié)構(gòu)（注：Reτ為摩擦雷諾數(shù)）。

2 明渠湍流粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律

自然界中的水流內(nèi)存在大量的粒子運(yùn)動(dòng)，為了使粒子跟隨性運(yùn)動(dòng)規(guī)律的總結(jié)更具普遍性和代表性，本章主要集中在低密度、小粒徑的粒子上，比如懸移質(zhì)泥沙、漂流性魚卵以及植物種子等。粒子物理屬性對(duì)跟隨性問(wèn)題的影響，會(huì)在第三章通過(guò)粒徑、密度以及Stokes數(shù)進(jìn)行更加詳盡的闡述。

2.1 湍流粒子整體運(yùn)動(dòng)跟隨性規(guī)律

宏觀來(lái)看，粒子在湍流中跟隨著水流的主流方向向前移動(dòng)，伴隨著縱向、垂向以及展向的擴(kuò)散。粒子在水流中的運(yùn)動(dòng)具有一定的滯后性［24-25］，這種滯后存在于整個(gè)水流中，但是其滯后程度并不恒定［26-27］。粒子的加入在一定程度上影響了水流的整體運(yùn)動(dòng)［28-29］，這主要與粒子的物理屬性息息相關(guān)，比如粒子的粒徑、密度及濃度等［30-31］。

在兩相流中，從粒子的角度出發(fā)，通過(guò)Stokes法則定義出粒子馳豫時(shí)間tp來(lái)表征粒子對(duì)于流場(chǎng)變化的反應(yīng)快慢［32］：tp=ρpd2p18ρfγ（4）式中：ρp為粒子的密度；ρf為流體的密度；dp為粒子粒徑；γ為運(yùn)動(dòng)黏度。

在兩相流中，粒子馳豫時(shí)間tp是解釋流體-粒子相互作用的關(guān)鍵因素［33］。從定義式不難看出，對(duì)tp來(lái)說(shuō)，粒徑的影響優(yōu)先級(jí)明顯大于密度的影響優(yōu)先級(jí)［34］。

從流體的角度出發(fā)，通過(guò)Stokes數(shù)（St）對(duì)氣固兩相流進(jìn)行分類［35］，并且將這種分類方法沿用到了固-液兩相流中，其定義式為St=tpte（5）式中：te為特征渦動(dòng)時(shí)間。

Stokes數(shù)是衡量粒子對(duì)流體湍流響應(yīng)能力的指標(biāo)，即由粒子響應(yīng)時(shí)間與某些特征流體時(shí)間的比值大小來(lái)確定［36］。Stokes 數(shù)越小，粒子響應(yīng)流動(dòng)變化的時(shí)間越短，越容易跟隨流體運(yùn)動(dòng)；粒子 Stokes 數(shù)越大，粒子需要更多的時(shí)間來(lái)響應(yīng)流動(dòng)的變化，粒子運(yùn)動(dòng)的跟隨性越不明顯［37］。

2.2 湍流內(nèi)區(qū)粒子運(yùn)動(dòng)跟隨性規(guī)律

在大量的平板邊界層試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)內(nèi)區(qū)粒子的跟隨性相較于外區(qū)而言，變化明顯且劇烈。Particle Image Velocimetry和Laser Doppler Anemometry等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為觀察和記錄粒子與流體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程提供了條件［38-39］。

在黏性底層區(qū)附近，出現(xiàn)明顯的流體滯后于粒子的現(xiàn)象［40］；然后在過(guò)渡區(qū)附近，兩者速度差發(fā)生了劇烈波動(dòng)；最后在對(duì)數(shù)區(qū)內(nèi)，兩者速度差正負(fù)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，即出現(xiàn)了粒子滯后于流體的現(xiàn)象。觀察到的這一現(xiàn)象并不與粒子滯后于流體整體規(guī)律相違背，經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為前者主要與湍流近壁區(qū)的相干結(jié)構(gòu)有關(guān)［41-42］，而后者更多的是實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的展現(xiàn)［43］，后續(xù)將對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)一步解釋。

在近壁區(qū)，大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬證實(shí)了粒子借助“掃掠”和“噴射”等相干結(jié)構(gòu)來(lái)完成不同區(qū)域之間的跨越［44-45］。具體表現(xiàn)為：粒子借助上層高速流體的“掃掠”作用，進(jìn)入近壁區(qū)；下層的低速流體被迫加速，粒子借助其“噴射”作用，離開近壁區(qū)［46-47］。在流體的“掃掠”作用下，獲得足夠動(dòng)量的粒子可以通過(guò)撞擊，直接沉積在壁面［48］，此過(guò)程中伴隨著大量的動(dòng)量交換［49］，并且粒子不會(huì)迅速減速［50］，這時(shí)粒子的慣性決定了其在壁面處的運(yùn)動(dòng)過(guò)程［51-53］（見圖3），即在宏觀角度表現(xiàn)出流體滯后于粒子的現(xiàn)象；否則，粒子在相干準(zhǔn)向渦的作用下發(fā)生展向擴(kuò)散［54］，并優(yōu)先聚集在近壁低速區(qū)，形成粒子條紋［55-56］。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，粒子更加傾向于沿著壁面的低速條紋分布［57-59］，進(jìn)入該區(qū)域的大部分粒子將會(huì)在其中滯留很長(zhǎng)一段時(shí)間［60-61］，即在宏觀角度表現(xiàn)出粒子滯后于流體的現(xiàn)象［43］。

2.3 湍流外區(qū)粒子運(yùn)動(dòng)跟隨性規(guī)律

Nezu等［33］指出，無(wú)論粒子的相對(duì)密度（ρr=ρp/ρf）如何，平均粒子速度up略小于離壁較遠(yuǎn)的流體速度uf。Righetti等［36］進(jìn)行平板邊界層試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)一步的遠(yuǎn)離壁面（St＜1/10的區(qū)域），流體粒子之間的速度差將減小到零。Sardina等［62］指出粒子從外區(qū)擴(kuò)散到內(nèi)區(qū)的兩種擴(kuò)散機(jī)制：一種是由于湍流復(fù)雜的波動(dòng)，使得粒子從外區(qū)緩慢擴(kuò)散到緩沖區(qū)；另一種是由于近壁面的波動(dòng)減少，使得渦流漂移快速地將粒子推向壁面。Li等［61］指出，在緩沖層內(nèi)流速關(guān)系呈現(xiàn)出u*f＜up＜uf的關(guān)系（u*f為粒子周圍的流體速度），并隨著粒子遠(yuǎn)離壁面，會(huì)出現(xiàn)粒子快于流體的現(xiàn)象。Wang等［63］發(fā)現(xiàn)，粒子在外區(qū)會(huì)優(yōu)先聚集在超大尺度運(yùn)動(dòng)（VLSMs）的“上升流”和“下降流”之中，這與內(nèi)區(qū)的情況相反。Xiao等［64］在可壓縮湍流邊界層內(nèi)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)粒子對(duì)于流體的滑移速度（即uf－up）在近壁區(qū)域?yàn)樨?fù)值，在對(duì)數(shù)層下部為正值，在外部區(qū)域?yàn)樨?fù)值，即發(fā)現(xiàn)在湍流外區(qū)出現(xiàn)了粒子超前于流體的現(xiàn)象。

目前，有關(guān)明渠湍流中粒子跟隨性規(guī)律多通過(guò)大量的泥沙運(yùn)動(dòng)研究得出，但受限于泥沙粒子的屬性，所得結(jié)果對(duì)其他湍流區(qū)域的研究參考意義不大，并且不具有普遍性。

3 影響粒子跟隨性的因素

3.1 粒 徑

粒子的加入對(duì)于流體的影響，具有明顯的“小粒子抑制湍流強(qiáng)度，大粒子增強(qiáng)湍流強(qiáng)度”效應(yīng)［65］，但是抑制或是增強(qiáng)湍流的粒徑臨界值還存在爭(zhēng)議［66-67］，并且粒子的加入對(duì)于流體邊界層的“猝發(fā)”事件有明顯的影響［68-69］。整體來(lái)說(shuō)，粒徑大小對(duì)于粒子的速度剖面影響不大，大粒子脈動(dòng)速度及Q2事件數(shù)目大于小粒子，小粒子Q2事件數(shù)目小于Q4事件數(shù)目［70-71］。這主要是因?yàn)楫?dāng)粒子的粒徑較大時(shí)，其運(yùn)動(dòng)對(duì)周圍流場(chǎng)的影響不可忽略，對(duì)與其尺度相似或較小的漩渦具有明顯的耗散效應(yīng)［27］，即大粒子與周圍流體的動(dòng)量交換更加劇烈。

根據(jù)粒子的弛豫時(shí)間定義式可知，隨著粒徑的增大，粒子的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，粒子響應(yīng)高頻波動(dòng)的敏感性降低，粒子跟隨性降低［40］。因此，對(duì)于較小的粒子，只要其時(shí)間常數(shù)小到足以跟隨壁面條紋運(yùn)動(dòng)，但是又不至于對(duì)高頻波動(dòng)過(guò)于敏感，小粒子往往趨向于均勻分布［72］；對(duì)于粒徑較大、時(shí)間常數(shù)較大的粒子，不傾向于沿著壁面條紋分布［73］。上文提到，在主流的核心區(qū)域粒子滯后于流體，但隨著粒子靠近壁面，這種滯后發(fā)生反轉(zhuǎn)［74］，這個(gè)反轉(zhuǎn)點(diǎn)（即粒子和流體速度幾乎相等的位置）隨著粒子的增大，逐漸向壁面移動(dòng)［50］。

在泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒徑大于0.1 mm時(shí)，粒子的跟隨性較差，很難在水中形成懸移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)粒徑小于0.1 mm時(shí)，粒子才會(huì)展現(xiàn)出良好的跟隨性，進(jìn)而在水中的運(yùn)動(dòng)中呈現(xiàn)出懸移質(zhì)的狀態(tài)；當(dāng)粒徑小于0.05 mm時(shí)，粒子的跟隨性才會(huì)顯現(xiàn)出大幅度增長(zhǎng)［75］。這可能是因?yàn)殡S著粒徑的減小，能跟隨上的漩渦運(yùn)動(dòng)的頻率開始增大［76］，進(jìn)而導(dǎo)致了粒子跟隨性的提升。

3.2 密 度

從粒子的弛豫時(shí)間表達(dá)式不難看出，密度對(duì)于粒子響應(yīng)流場(chǎng)波動(dòng)的快慢具有一定影響。張永澤等［76］通過(guò)引入粒子與流體速度的幅值比η和相位差β來(lái)量化粒子的跟隨性，發(fā)現(xiàn)密度小于流體的漂浮性粒子出現(xiàn)了超前于流體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。Muste等［77］發(fā)現(xiàn)重粒子在整個(gè)水域滯后水流約5%，但是對(duì)于密度接近于水的中性粒子來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有出現(xiàn)這樣的滯后現(xiàn)象。Balachandar等［78］和Fouxon［79］建立了小St與粒子聚集趨勢(shì)的關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)較重的粒子傾向于分布在渦度較小的聚集區(qū)域；對(duì)于較輕的粒子，情況與之相反。

此外，大量學(xué)者結(jié)合相關(guān)先進(jìn)模型進(jìn)行數(shù)值模擬，拓寬了人們對(duì)于粒子密度影響范圍的認(rèn)識(shí)。Yu等［80］通過(guò)虛擬域法進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)粒子的存在減弱了大尺度渦旋，并且隨著密度比的增加，這種效果增強(qiáng)。Jha［81］通過(guò)簡(jiǎn)化的完全雙流體模型進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)密度對(duì)兩相流的平均速度影響較小，但是隨著密度的增大，無(wú)量綱湍流動(dòng)能的變化趨勢(shì)似乎呈下降趨勢(shì)。Yu等［82］在固液密度比1～104.2的范圍內(nèi)進(jìn)行全分辨數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)粒子的相對(duì)密度ρr≥10.42時(shí)，在靠近壁面的附近存在一個(gè)臨界高度，低于該高度，粒子的平均速度大，反之，流體的平均速度大；當(dāng)ρr=104.2時(shí)，由于粒子慣性過(guò)大，以至于粒子對(duì)局部流體速度不敏感，并且它們?cè)谡麄€(gè)通道中的速度大致恒定。Luo等［42］利用浸沒(méi)邊界法結(jié)合軟球碰撞模型，對(duì)含有有限尺寸粒子的衰減各向同性湍流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)重粒子增強(qiáng)了湍流、輕粒子減弱了湍流的規(guī)律，并且輕粒子在一定程度上提高了Q準(zhǔn)則滿足區(qū)域的頻率［83］。

3.3 Stokes數(shù)

在固液兩相流中，粒徑與密度對(duì)于粒子弛豫時(shí)間的影響不能簡(jiǎn)單地歸納為單因素問(wèn)題［84］，并且粒子慣性對(duì)兩相流的運(yùn)動(dòng)特性影響不可忽略。因此基于Stokes數(shù)，從該綜合因素的角度出發(fā)，探究并分析固液兩相的相互作用十分具有實(shí)際意義。

當(dāng)St＞1時(shí)，粒子后脫落的漩渦會(huì)增強(qiáng)湍流的強(qiáng)度；當(dāng)St＜1時(shí)，粒子的存在會(huì)增加耗散，從而抑制湍流強(qiáng)度［33］。上面提到，近壁面粒子傾向滯留在壁面低速條紋中，其滯留時(shí)間與Stokes數(shù)有關(guān)，對(duì)于低慣性粒子，其St越小，滯留時(shí)間越長(zhǎng)［51］；反之，對(duì)于高慣性粒子，其St越大，粒子在湍流場(chǎng)中分布更加均勻［85］。

Zhao等［86］在1＜St＜100的范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)粒子滑移速度波動(dòng)隨粒子慣性的增加而單調(diào)增加，而粒子速度協(xié)方差隨慣性的增加而逐漸減小（當(dāng)St ≥ 5時(shí)），即使粒子速度協(xié)方差等于粒子湍流強(qiáng)度，也可能發(fā)生大量粒子滑移。Sardina等［87］發(fā)現(xiàn)對(duì)于外區(qū)的粒子，無(wú)論是濃度的分布還是粒子與流體之間的滯后均呈現(xiàn)極度的相似性，這是由于外區(qū)粒子的運(yùn)動(dòng)主要受到局部Stokes數(shù)的控制，并且對(duì)于非常小的St，粒子速度分布趨向于流體速度分布。Zhang等［88］研究粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)粒子的高慣性使其在湍流中的碰撞和擴(kuò)散現(xiàn)象更為明顯。

Lee［89］發(fā)現(xiàn)對(duì)于St較大的粒子，其穿過(guò)高低流速區(qū)域時(shí)具有更長(zhǎng)的記憶（即具有更大的動(dòng)量），這也導(dǎo)致了粒子縱向速度通常高于低速條紋中的流體速度。對(duì)于St較小的粒子，由于其慣性較小，流體和粒子之間的滑移是不可避免的。Mortimer等［39］發(fā)現(xiàn)在較大的Stokes數(shù)下，黏性底層包含的粒子具有與緩沖層中粒子相似的動(dòng)力學(xué)特性；粒子平均縱向速度和均方根速度波動(dòng)在主流中減少，但在靠近壁面過(guò)程中反而增加，這種現(xiàn)象隨著St的增大或慣性粒子的增加會(huì)越來(lái)越明顯。Mortimer等［83］發(fā)現(xiàn)近壁區(qū)、對(duì)數(shù)區(qū)以及流動(dòng)核心區(qū)域的粒子縱向速度都與Stokes數(shù)有關(guān)，并且前兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的粒子流向速度隨St的增大而增大。

4 研究展望

4.1 相干結(jié)構(gòu)尺度大小以及研究范圍需擴(kuò)大

目前基于光滑平板邊界層的大量研究成果，主要集中于近壁區(qū)的較小尺度相干結(jié)構(gòu)。雖然在對(duì)數(shù)區(qū)和外區(qū)中，已經(jīng)觀察到并提取出一些大尺度相干結(jié)構(gòu)，但大尺度相干結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究整體上仍處于發(fā)展階段。對(duì)于粒子的跟隨性問(wèn)題以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不應(yīng)只關(guān)注“猝發(fā)”事件或相干結(jié)構(gòu)出現(xiàn)頻率較大的區(qū)域，而需要擴(kuò)大湍流相干結(jié)構(gòu)的研究范圍，打通內(nèi)區(qū)、外區(qū)研究的壁壘，將內(nèi)區(qū)和外區(qū)或者大尺度相干結(jié)構(gòu)以及小尺度相干結(jié)構(gòu)相互串聯(lián)溝通起來(lái)，確保研究粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的整體性以及普遍性。此外，現(xiàn)有相干結(jié)構(gòu)分布特性的研究對(duì)象主要是光滑平板邊界層，對(duì)于實(shí)際工程實(shí)踐的參考意義不大。一些學(xué)者嘗試提取天然河道中的相干結(jié)構(gòu)，也亟需從小規(guī)模的模擬試驗(yàn)中獲取相關(guān)基礎(chǔ)信息，為實(shí)際試驗(yàn)的開展提供相關(guān)依據(jù)，節(jié)省研究經(jīng)費(fèi)以及研究人員精力。

4.2 研究區(qū)域以及粒子種類有待增加

對(duì)于密度小于水的植物種子或水面漂流污染物，可與外區(qū)的水流結(jié)構(gòu)以及流態(tài)相結(jié)合，研究通過(guò)水媒介傳播的植物種子的傳播過(guò)程或污染物的污染范圍；對(duì)于密度略大于水的漂流性魚卵，它需要隨水漂流發(fā)育一段時(shí)間，整個(gè)過(guò)程大部分位于對(duì)數(shù)區(qū)中，結(jié)合對(duì)數(shù)區(qū)的水流結(jié)構(gòu)和流態(tài)，可以對(duì)魚類產(chǎn)卵場(chǎng)以及仔魚孵化場(chǎng)的預(yù)測(cè)進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)于密度大于水的泥沙，已有大量的理論和工程成果，其中泥沙的“再懸浮”機(jī)制，可以與以上植物種子和魚卵的研究進(jìn)行結(jié)合，探討是否可以通過(guò)工程措施保證觸底發(fā)芽的植物種子以及觸底死亡的魚卵能夠漂流傳播的更遠(yuǎn)，擴(kuò)大傳播范圍。

4.3 研究方式以及影響因素有待多元化

粒子的物理屬性一定程度上確定了粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律（如懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙），但也在一定程度上影響了水流結(jié)構(gòu)以及流態(tài)，進(jìn)而反作用于粒子的運(yùn)動(dòng)。從現(xiàn)有的研究成果來(lái)看，整體上呈現(xiàn)出“重模擬輕試驗(yàn)”的現(xiàn)象，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性需要建立在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，因此模擬結(jié)合試驗(yàn)的方式可以盡可能地提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

此外，學(xué)者們對(duì)于粒子密度的選擇總體偏大，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于其他粒子來(lái)說(shuō)不具有普遍性，同時(shí)限制了研究其他分區(qū)內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的可能性，也限制了與微觀水流結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系的可行性。因此，為保證試驗(yàn)影響因素選擇多元性，可以從粒子屬性以及水流屬性的角度出發(fā)，考慮粒子是否具有生物屬性、水流Stokes數(shù)的大小以及其他綜合因素，使得試驗(yàn)結(jié)果具有相當(dāng)?shù)钠毡樾院痛硇浴?/p>

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（編輯：胡旭東）

Review on influence of turbulent structure on particle moving followability in open channelsZHANG Xianbing，DING Xiaofeng，YANG Wei，YANG Shengfa

（National Inland Waterway Regulation Engineering Technology Research Center，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract： In recent years，a large number of scholars have conducted in-depth and detailed researches on the motion law of particles in open channel turbulence through laboratory experiments，field observations and numerical simulation，and have gradually revealed the essence and law of the particle motion complexity in open channel turbulence.The results have been applied to many fields such as river sediment transport，river geomorphic evolution and ecological environment protection.In view of the obvious partition effect of open channel turbulence，its turbulent flow velocity distribution，partition structure composition and coherent structure distribution characteristics will have a significant impact on the motion process of particles in water.Therefore，this paper summarized the overall motion law of particles turbulence structure in in open channels，and the motion process of particles in the inner and outer regions of turbulence structure.The abnormal phenomena and causes of particle motion in the near-wall region，as well as the three main factors affecting the particle motion process，such as particle size，density and Stokes number，were emphatically expounded in order to provide reference for the research and application of sediment movement and ecological protection.

Key words： open channel turbulence；solid liquid two phase flow；moving followability of particles；turbulence partition structure

收稿日期：2023-05-31；接受日期：2023-09-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42007213）

作者簡(jiǎn)介：張先炳，男，教授，博士，主要從事生態(tài)航道建設(shè)理論與技術(shù)方面的研究。E-mail：Zhangxb11@qq.com

通信作者：楊 威，男，副教授，博士，主要從事生態(tài)航道建設(shè)理論與技術(shù)方面的研究。E-mail：cqjtuyw@qq.com