基于数值模拟方法的大曲率弯道演变机理研究

This project proposes to investigate the evolution dynamics of sharp meander bends with numerical simulation method. A meander evolution numerical model based on existing models with no curvature restrictions will be established by coupling the basic governing equations for water-sediment movement and channel migration, and flow structure and channel migration in meander evolution will be simulated. By taking advantage of the mathematical model in which physical processes can be separated, the contribution and sensitivity of each individual term including transverse water surface and bed slope, curvature change, streamwise momentum redistribution and cross flow on meander evolution processes at different stages of evolution will be sequentially tested. The differences between the simulated results of the linear and nonlinear models and their causes will be analyzed, and the dominant parameters for the evolution processes of sharp meander bends and their influencing mechanisms will also be discussed. The implementation of this project will not only provide a theoretically improved modeling tool for the numerical simulation of meander evolution processes, but also deepen our understanding of the evolution dynamics of sharp meander bends and lend theoretical support to the regulation and management activities of meandering rivers in China, and is therefore of great significance in scientific and engineering practices.

本项目拟借助数值模拟方法对大曲率弯道的演变机理开展研究。首先通过耦合水沙运动和河道迁移的基本控制方程，在现有模型基础上建立不受曲率限制的弯道演变数值模型，模拟弯道演变中的流场结构与河道迁移过程；然后利用数学模型可以分离物理过程的优势，逐一测试水面和床面坡度、曲率变化、主流动量再分布、横向流动等变量在弯道发展的不同阶段对弯道演变的贡献度和敏感度；最后分析线性模型和非线性模型的模拟结果差异及其成因，并探讨大曲率弯道演变的主要控制参数及其影响机理。本项目的实施能够为弯道演变数值模拟提供理论上更为完善的模型工具，其研究成果能够深化人们对大曲率弯道演变机理的认识，并为我国弯曲型河道的整治和管理实践提供理论支持，因此具有重要的科学和工程意义。

弯曲型河流是最常见的河型之一。大曲率弯曲型河流中的水沙过程存在强烈的非线性作用，因而其机理研究具有重要的理论与实践意义。本项目以大曲率弯道演变过程为研究对象，通过选取水流连续方程、水流动量方程和泥沙连续方程作为基本控制方程建立了非线性弯道数值模型，并采用大曲率弯道水槽试验流场分布与演变过程的数值模拟验证了模型的适用性。通过比较非线性模型与线性模型对弯道演变过程的模拟结果差异，分析了弯道演变过程对不同计算参数的敏感性，探讨了主要参数对流场结构与弯道演变过程的影响机理。计算结果表明：1）在小曲率弯道水槽实验中由于曲率次生流的强度较低，非线性模型的计算结果与线性模型较为接近，但在大曲率弯道水槽实验中非线性模型的计算结果明显优于线性模型的计算结果，表明非线性项对大曲率弯道水槽流场的影响不可忽略； 2）非线性项的作用随弯道的最大偏转角和横向坡度的增大而增大，而随着弯道波长而减小，由于非线性水动力交互作用能够抑制次生流的增长，因此相较于线性水动力模型，非线性模拟将得到较小的横向流速梯度和河岸侵蚀速率；3）非线性模型模拟的河道中心线在弯道发展初期与线性模型相类似，但在后期非线性模型模拟的河道中心线从弯头的下游位置逐渐滞后于线性结果，说明忽略主次流间的非线性交互作用带来的误差在小曲率弯道平床的条件下并不显著，但这一误差将随着曲率增大或地形冲淤增加逐渐积累。线性和非线性模拟结果的不同对于蜿蜒河道发展的模拟具有重要启示。通过保留代表非线性水动力过程的附加项，可以更准确地模拟弯道发展过程中的大曲率演变阶段，这对于模拟和研究蜿蜒河道的发展具有指导意义。