緒論

本論文集對現代水力學的波與波力、湍流流動與傳熱、湍流流動與傳質的湍流模式的規律性進行了研究，并將此模式聯系實際運用到海洋工程、冷卻水工程及生態工程中去，以便取得波力載荷、溫度效應、水質濃度、污染物濃度、沖淤效應及生態效應良好的定量結果，同時作者還開拓和改進了原有的湍流理論模式。

鑒于我國石油事業迅猛發展，1966年由國家科學技術委員會組織了“海上大會戰”，鉆井平臺圓柱體上波浪作用力的現場試驗就是大會戰的內容之一。由于波浪力的剪切作用，可使輸油鉆井管道破裂，造成了嚴重的泄油事件，污染了受納水域，破壞了生態環境。所以，波力的研究具有十分重大的意義。我們對前進波、擊瓶波及其爬高進行了統計分析，建立了前進波高與擊瓶波高具有的相關關系，于是便可間接地求得與前進波高相對應的波力關系。根據現場觀測到的波高、波力及繞射現象等資料，建立了波壓、單位高度波力及波的總水平推力的經驗公式。鉆井平臺圓柱體上波浪作用力的現場試驗成果獲得了1978年全國科技大會的獎勵。

湍流現象普遍存在：上至茫茫宇宙，下至滾滾熔巖，遠至波濤洶涌的海洋、奔騰不息的河流，近至日常可見的鍋爐、反應器、渦輪、水泵中流動，到處可以看到湍流。湍流研究不僅與工農業生產、國防建設密切相關，而且是一個饒有興味又困難重重的基礎理論課題。百余年來，世界上不少著名科學家為了探索其中的奧秘，花費了巨大的精力，創造了一些實際可用的湍流理論和湍流統計理論，特別值得指出的是，我國著名科學家周培元教授研究湍流已逾60多年，為之作出了舉世公認的突出貢獻。早在20世紀30年代末、40年代初，他就提出了剪切湍流著名的17方程理論，把湍流理論大大推進了一步，開創了模式理論的新領域。即在世界上他首先建立了一般湍流的雷諾應力的輸運方程，在國際上產生了重大影響，同時也獲得高度評價，他由此被公認為湍流模式的奠基人。1951年聯邦德國的Rotta發展了周培元所開創的工作，提出了現代雷諾應力湍流理論模式。這一類模式的優點是可以準確地考慮各向異性效應、旋轉效應、曲率效應、兩相流效應等。可以預測，隨著計算技術的發展及模式的改進，在今后的若干年內，工程解決湍流問題主要依靠雷諾應力湍流的模式。另一類是有效性模式，最具有代表性和廣為人們所接受的首推k-ε雙方程湍流模式，這個模式先后由周培元（1954）、Davidov（1961）、Harlow-Nakayama（1969）、Jonas-Launder（1972）提出，近年來已得到廣泛的應用。大量預報結果及其與實驗的對照，已證明該模式可以完成或基本上成功地用于以下幾種狀況：無浮力平面射流，無旋及弱旋的二維及三維回流流動。k-ε雙方程模式試用于以下幾種情況則遇到較大問題或者說不成功：強旋流（旋流數大于1），浮力流，重力分層流，曲壁邊界流，低雷諾數Re數流動，圓射流。W.Rodi（1978）對雷諾應力湍流輸運方程作了簡化的近似，即直接假定應力（熱流）的產生與耗散達到局部平衡、對流與擴散也達到局部平衡。因此，便可得到介于前兩類模式之間的代數應力模式（ASM）。顯然，ASM模式反映了浮力及旋流效應有關的各向異性的基本特征，也無需分別給出應力及通量的分量的進口邊界條件，同時與雷諾應力模式相比大大削減了方程數目，這是當前最為熱門的一種模式。

本論文集作者從20世紀80年代中期至今，根據水流運動的特點，在上述的湍流模式理論的基礎上提出了擴展的k-ε、雙流體和簡化的代數應力（熱流）的湍流模式，并建立了深度平均的k-ε、深度平均的代數應力的湍流全場模式、明渠彎道模式、懸沙沖淤問題的液—固兩相模式及水環境中的生態水力學模式。現將其模擬特色分別簡介如下。

（1）明渠溫差異重流中湍浮力回流的數學模式（1986年9月）。通過計算發現標準的各向同性的k-ε模式所預報的溫度分布不具有溫躍層特點亦即是不存在溫差異重流，或在浮力作用下，不存在冷熱水上下分層流。本文提出了擴展的k-ε湍流模式，亦即對湍流傳熱系數提出一個半經驗的處理方法，假設溫躍層中熱交換系數σ_T與U、T的垂向梯度有關，再據量綱分析，取

其中C_TJ為經驗系數，通過模擬計算取0.2，作先修正后預報所得的明渠溫差分層流形成與消失過程和實驗中物理現象完全一致。1980年Hossain，M.S.和Rodi也曾應用k-ε標準方程來模擬分層流，未獲成功，并摒棄了過去沿用的1953年Schijf和Schoenfeld建立的上下層異重流方程。本文集中提出的擴展的k-ε模式或湍流代數應力模式來確定分層流問題是成功的，這為冷卻水運動研究奠定了理論基礎，也是國內外分層流研究中的重大突破。

（2）浮力回流中雙流體湍流模式（1989年1月）。Spalding（1984年）提出了浮力射流中雙流體湍流模式，1988年1月本文作者提出了湍浮力回流中雙流體模式，異于前者，第一，對雙流體模型基本方法作出了新的改進，其中對相間質量交換提出了新的規律；第二，在數值解法上提出了由無滑移模型初步收斂解，再過渡到雙流體的初特解法，從而大大加速收斂，節約了計算時間并容易得到穩定的解；第三，首次對浮力回流中的溫躍層模擬成功。浮力回流中雙流體湍流模式不僅對冷、熱水而對油、水摻混的輸移規律研究均有廣泛應用價值。所取得預報成果與實驗資料附合較好，溫躍層模擬是成功的。

（3）簡化的代數應力模式（1987年7月）。作者提出了與Roid不同的簡化的代數應力模式，即

對淺水渠道中有水平熱水出流的各向異性湍浮力回流模式進行了數值模擬，所得預報成果和實驗結果較為接近。該論文中指出，代數應力模式是能較好地反映分層流和溫差異重流的這類各向異性的湍流流動現象，計算簡單，經濟易行，是一種較為實用的模型。

（4）深度平均的k-ε及深度平均的代數應力的湍流全場水環境新模式（1991年1月、2010年9月）。作者提出的全場模式，突破了40多年來美國List.E.J.，Jirka，G.H.，德國Hossian.M.S.，Roid.W.等所研究的近區模型界限。本成果首創的論點。在于計及了速度、溫度垂向分布不均勻影響的流散效應，更全面地建立了模擬熱水或污染物注入大水體中摻混、擴散和輸移的全場模式，成功地對陡河電廠大水域冷卻水池實例進行了精細的模擬計算，其結果與原體、模型進行對比，得到了較為一致的結果。最近發展起來的這種全場模式，據流場各點當地的湍流特性確定湍流輸運系數，直接解流體力學偏微分方程組，這樣就不存在積分模式及擴散模式銜接等困難。據查新文獻來看，堪稱是一項首創性工作，對淺水域冷卻水的計算也有較大實用價值。

（5）水面石油蒸發過程，有蒸發的氣—水二維湍流流動的模式（1992年2月、1994年2月）。過去水面蒸發、石油蒸發的研究在水利電力工程界一直是僅僅依賴實驗手段，本文用多流體模式理論及Stefan流概念開辟了油、水蒸發過程理論模擬計算新途徑。將數值模擬的結果與物理模型實驗資料進行對比，得到了較為滿意的結果。這對海洋環境石油污染評價、冷卻水水域表面散熱系數計算均有重要應用價值。

（6）明渠彎道湍流流動模式（1994年5月）。本文作者根據浮力、離心力及非各向同性的雷諾應力三者間相互作用建立的明渠彎道三維環流新湍流模式。模擬計算結果與彎道實驗資料作了對比，兩者趨勢一致。明渠彎道溫差異重環流的湍流模式，在國內外同類研究中罕見，特別是通過實驗與數值模擬計算，都證實了在有浮力的彎道流動中所產生的三個二次環流的形態，是屬首創，這在彎道內的傳熱、熱污染、傳質、沖刷及其水環境評價方面均有重要作用。

（7）懸沙沖淤問題的代數應力湍流兩相模式（2006年4月）。這是從河口懸沙沖淤問題的k-ε型湍流兩相模式發展起來的，考慮了浮力、回流及旋流等影響，建立了代數應力的液—固兩相流模式，適用于河口懸沙沖淤及水庫泥沙異重流等工程問題的模擬計算。

（8）水環境中的生態水力學模式（2005年8月）。這模式實質上是污染物質在水環境中因物理、化學、生物作用及影響因素之間相互關系的數學描述，所以在污染物的濃度方程源項中增加了一項反應率，以研究污染物物質的降解作用，這對水環境容量的確定富有十分重要的理論和經濟價值。

衷心感謝十多年來清華大學工程力學系周力行、林文漪兩位教授，在模式理論及其模擬計算技術方面給予的緊密合作和真誠相助。感謝我的學生沈永明教授、王能家博士、陽昌陸博士、李振海教授級高工、鄒志軍博士、付云飛教授、周俊洋教授，他們在本論文集第一作者指導下為發展工程湍流的數值模擬計算作出了貢獻，他們的工作充實了本論文集的內容。

真摯地感謝我國水利水電工程界老前輩、工程湍流研究的倡導者與支持者林秉南院士、教授。

最后，我要以最誠摯的態度，感謝中國水利水電科學研究院原冷卻水所所長、教授陳惠泉，他以二元溫差出流局部摻混實驗成果，提供給“近代湍流全場的理論模式”進行驗證。驗證表明：所得流態、速度及溫度分布與二元水槽試驗結果完全一致；這種全場模式所預報的輸移擴散規律，用于大水域的實際工程是可行的，也是成功的。

限于作者學識與水平，書中定會有不少疏誤與不當之處，真誠期待讀者指正。