使用可变孔隙度连续模型对随机堆积沉积物床上湍流流动的数值研究

针对渗透率雷诺数为ReK∼2.56（Reτ = 270）的多孔沉积物床，进行了湍流开放通道流的大涡模拟（LES）。通过在沉积物-水界面(SWI)定义平滑变化的孔隙度，并使用修正的Ergun方程以及Forchheimer修正对惯性项建模来描述多孔床中的阻力，采用了基于尺度化的体积平均Navier−Stokes (VaNS) 方程的连续体方法。将连续体方法的结果与孔隙分辨的直接数值模拟（PR-DNS）进行比较，后者研究了单分散颗粒随机堆积沉积物床上的湍流流动，参考了Karra等人的研究，发表在《流体力学杂志》971期，A23（2023）。从孔隙分辨DNS生成的空间变化孔隙度剖面用于连续体方法中。对比两项研究的平均流动、雷诺应力统计以及自由流与多孔床之间的净动量交换，显示出良好的一致性。与PR-DNS结果相比，在沉积床与自由流之间的过渡区域内的微小偏差被归因于随机堆积床中颗粒的局部突出，这在连续体方法中是不存在的，但在PR-DNS中存在。需要更好地表示上过渡层中的有效渗透率，以考虑暴露颗粒的粗糙度效应。连续体方法显著降低了计算成本，从而使其适合于研究在与床形和床粗糙度的综合影响下的大规模水域中物质和动量的隐匿交换。