文章导读
极端水动力下，泥沙会从跃移转向多层颗粒共同运动的层移，传统模型却难以兼顾近床湍流的精细解析与颗粒、流体的稳定耦合。清华大学深圳国际研究生院景路团队构建半解析LES-DEM框架，利用颗粒点云连续场实现双向耦合，并通过PID控制维持明渠流量。基准算例验证显示，该方法在精细网格下提升了推移质输运预测精度；研究还发现层移输沙中配位数与惯性数的反比标度关系。颗粒尺度的变化，如何解释跃移到层移的转变？
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河流与海洋环境中的推移质泥沙运动是地貌演化的关键过程，其准确模拟对于重大水利与海洋工程建设具有重要意义。在极端水动力条件下，推移质运动状态可由跃移过渡至层移，相应的数值模型需要同时解析近床湍流及颗粒-流体相互作用。然而，传统体积平均欧拉-拉格朗日方法受限于流体网格与颗粒尺度比，难以同时兼顾近床湍流的精细解析与颗粒-流体的稳定耦合，这一矛盾在高强度层移输沙条件下尤为突出。
为此，清华大学深圳国际研究生院景路副教授团队研究构建了一套半解析LES-DEM数值框架（图1）。该方法先将离散颗粒信息转化为亚网格的点云连续场信息，再依据点云与流体网格场的空间拓扑关系完成双向耦合，使得在采用精细流体网格解析近床湍流结构的同时，能保证颗粒-流体耦合的准确性。在此基础上，开发了集成半解析颗粒-流体耦合策略与PID流量控制的LES-DEM求解器，实现周期边界明渠流量的快速收敛与稳定维持。
图1.基于点云的半解析颗粒-流体耦合技术
研究首先给出了求解器PID控制参数选取的解析形式，为流量输出控制提供了定量依据；随后通过清水明渠湍流、跃移和层移输沙三个基准算例，对所开发半解析LES-DEM框架进行了系统验证（图2）。根据速度自相关性和湍流能谱分析表明，所采用的计算域尺寸与网格分辨率能够准确解析主要湍流相干结构，模拟所得湍流统计特征与已有实验和数值结果吻合良好。进一步地，在跃移和层移输沙条件下，模拟得到的颗粒速度分布与实验及DNS数据均保持较好一致性，尤其在精细网格下，相较传统非解析耦合方法，该方法对推移质输运的预测精度得到显著提升。
图2.湍流统计量与推移质颗粒输运的系统验证
通过系统改变希尔兹数，研究揭示了不同流态下颗粒宏观运动状态（图3）。结果表明，随着床面剪切增强，颗粒运动逐渐由低强度条件下的滚动、跃移转变为高强度条件下多层颗粒共同运动的层移状态。
图3.推移质输沙的流态转变及颗粒运动特征
研究进一步从颗粒尺度揭示了跃移到层移输沙的微观机制转变（图4），发现配位数与惯性数在层移输沙呈现统一的反比标度关系；基于惯性数定义了输沙层厚度随希尔兹数变化的经验标度关系，其结果与传统基于宏观运动学参数的经验性定义十分接近，为输沙层厚度提供了颗粒尺度的物理解释。最后，研究通过对比不同流态下的颗粒流变学特征，表明推移质输沙过程中颗粒运动包含了准静态蠕变、密集剪切及稀疏碰撞等多种流动状态。
本研究提出的半解析LES-DEM框架能够准确描述推移质运动的不同流动状态，为进一步建立统一流变模型提供了可靠的数值基础。
图4.推移质跃移到层移输沙的微观机制转变
上述成果以“湍流推移质泥沙运动的半解析LES-DEM计算框架：从跃移到层移输沙”(A Semi-Resolved LES-DEM Framework for Turbulent Bedload Transport From Saltation to Sheet-Flow Regimes)为题，于9月29日发表在《水资源研究》（Water Resources Research）上。
论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2023级博士生刘雨翔，通讯作者为景路，论文其他合作者包括清华大学水利水电工程系伍梓副教授、傅旭东教授。研究受国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1029/2025WR043288
供稿：深圳国际研究生院
编辑：李华山
审核：王晓霞
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发在Water Resources Research上，分量挺足的