地下水紊流

1)层流：层流是指液体流动时，液体质点没有横向运动，互不混杂，呈线状或层状的流动。

(2) 紊流：湍流是指液体流动时，液体质点有横向运动（或产生小旋涡），做混杂紊乱状态的运动。

4.1 二维突扩后台阶流动的计算二维突扩后台阶流动是一种具有代表性的有回流的分离流动。这种流动的紊流结构非常典型，其流动含有分离流、回流和再附着流，能否正确模拟这种流动成为验证紊流模型的重要标志。本文对图2所示的突扩后台阶流动，在相同的条件下分别采用双时间尺度紊流模型(MTS)和修正的非线性双时间尺度紊流模型(NLMTS)，用有限体积法进行了数值模拟计算。突扩管的突扩比为3∶2，HT为3.81cm，雷诺数为Re=4.5×104，计算长度为25倍的HT，计算网格采用了75×50的网格密度。计算结果与试验资料[11]进行了比较。

图3为壁面压力系数，从图中可看出：在台阶后，NLMTS紊流模型的计算结果与实测的结果比较吻合，并优于MTS紊流模型的计算结果。另外，回流的再附着长度也是检验模型的重要指标，MTS紊流模型计算的再附着长度为Xr=X/HT=7.4，NLMTS紊流模型计算的长度为Xr=X/HT=7.3，试验实测值Xr=X/HT=7.1.此外，对突扩比为2.105：1的后台阶的流动进行了计算，台阶高度为9.5mm,雷诺数为5500，计算的流速分布如图4所示。计算的结果与激光流速仪所测的结果[12]进行了比较，其结果说明修正的双时间尺度紊流模型使计算结果有所改进。

4.2 泄洪洞进口流场的数值模拟我们对某水利枢纽导流泄洪洞进口流厨行了数值模拟，第一作者曾对该导流泄洪洞进行了水力试验。该泄洪洞由导流明渠、闸室段、渐变段、洞身段、出口扩散段、消力池及尾水等部分组成。泄洪洞进口与导流明渠相接，进口段为压力短管型式，闸底高程592.0m，进口段高8m×12m检修平板闸门两扇，8m×10m弧形门两扇。进水口为喇叭口，进口顶部曲线方程为X2/122+Y2/42=1，接1∶4切线，检修门槽后为1∶4的压板，底部水平。试验中，一项主要的任务是确定泄洪隧洞进口段的压力。其最不利工况为：单孔泄流，流量为1200m3/s，库水位为616.6m，闸门为全开。

由于库水位较高，泄洪洞进口淹没水深较深，为简化计算，计算中没有考虑导流明渠和检修门槽的影响。计算中采用分块技术划分网格，水库用正规网格22×10×23，进口段采用贴体坐标，网格10×14×18.水库进口给定流速及其它物理参数。出口为自由出流，压力按静水压强分布给定。计算结果见图5和图6.

用于区别泥石流体与非泥石流体，泥石流体各种类型的特征值。不同的学者按照泥石流体不同的界限值进行分类、命名。伏列什曼（S.M.Flecheman）通过试验研究，把每立方米流体中固体物质含量100～150公斤作为界限值，小于此值者为一般山地洪流，大于此值者为泥石流；他把泥石流体密度1.5吨/米3和粘度2.5～3.5泊作为界限值，用以区别稀性泥石流（水石流）和粘性泥石流；按照一定的颗粒粒径及雷诺数作为界限值，又分出层流和紊流。加戈希泽（M.S.Gagocheze）把固体物质重量占20～30％的流体算作紊流型泥石流，80～90％的为结构型泥石流。维诺格拉多夫（Y.B.Vinogradov）提出的泥石流界限值为：①有效粒级小于砂粒级（粒径1毫米）者为泥质泥石流，大于者为泥石质泥石流；②结合水含量为主，粒径＜0.01毫米的颗粒物质含量占0.025以上者为结构型（粘性）泥石流，反之则为紊流型（稀性）泥石流。

紊流

紊流是流体力学中的一个术语，是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。

紊流一般相对“层流”而言。一般用雷诺数判定。雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数Re＜2000为层流状态，Re＞4000为紊流状态，Re＝2000～4000为过渡状态。在不同的流动状态下，流体的运动规律．流速的分布等都是不同的，因而管道内流体的平均流速与最大流速的比值也是不同的。因此雷诺数的大小决定了粘性流体的流动特性。

速度、压强等物理量在时间和空间中发生脉动的流体运动，又称湍流。紊流的主要特征是：①流体质点的运动极不规则，流场中各种流动参数的值具有脉动现象。②由于脉动的急剧混掺，流体动量、能

量、温度以及含有物的浓度的扩散速率较层流为大。③紊流是有涡流动，并且具有三维特征。

1883年，O.雷诺发表了他观测层流及紊流流态的文章，并于18 94年推导出索流时均流动的基本方程——雷诺方程式。20世纪20年代以来，发展了各种半经验理论和各种紊流模型，从而对紊流问题可进行定量的分析。从30年代起，紊流统计理论，特别是G.I.泰勒的均匀各向同性紊流理论得到了发展；40年代苏联的A.H.科尔莫戈罗夫提出了局部各向同性紊流理论。50年代中国的周培源对于均匀各向同性紊流提出了旋涡结构理论；同时，紊流的试验研究使人们对紊流的性质也有了进一步的了解。60年代以后，氢泡法、高速摄影等量测技术的使用更进一步揭示了紊流机理；电子计算机的应用也使量测数据处理简易化，从而对紊流的起源、紊流的内部结构有了深入的认识。对壁面紊流的起源提出了猝发现象的图形。但就实用观点来说，至今还没有一个较为成熟的紊流理论，许多基本技术问题还不能完满地用紊流理论来解决，主要还是利用半经验公式。

紊流按其流动特点可分为：①各向同性均匀紊流，是一种假想的紊流模型，其紊动特征（如紊动强度）在各空间点是一样的（均匀性），在各方向也是一样的（各向同性）。在这种紊流中没有流速梯度，因而没有剪切应力。局部各向同性紊流是只考虑小尺度涡旋为各向同性的一种紊流模型。②剪切紊流，是指有时均流速梯度，因而有剪切应力的紊流，它又可分为自由紊流（紊动发展不受固体壁面限制）和壁

面紊流（流速梯度是由固体边壁引起的）。

研究紊流可从理论和实验两个方面来进行。

紊流理论层流稳定性问题和充分发展的紊流特性问题是紊流

理论中重要的内容。

层流稳定性问题层流对外来的各种扰动均具有一定的抑制能力，这种能力称为流动的

稳定性。流体的惯性使扰动扩大，但流体的粘性则抑制扰动，故流动的稳定性随雷诺数的增大而减弱。层流开始转变为紊流的雷诺数称为临界雷诺数。小扰动法是分析流动稳定性的一个重要理论。在多数情况下，壁面剪切流中的扰动逐渐增长，使流动失稳而形成紊流斑，最后形成紊流。

紊流基本方程组对于充分发展的紊流特性的研究，大多数学者还是由纳维－斯托克斯方程式出发，将式中各量表示成为时均量与脉动量之和（参见雷诺方程式），对该式取时间平均后所得式与纳维－斯托克斯方程的差别在于式中多了雷诺应力产U′U′一各项；这是一种紊动交换所形成的“表观应力”，是个未知量，因而使由雷诺方程及连续方程组成的方程组无法封闭，故紊流理论中的一个中心问题是寻求使方程组封闭的途径。目前，一种是利用半经验理论来建立雷诺应力与时均流速的关系，而不增加基本方程的数目；另一种是建立