郑州大学李志伟课题组在Journal of Water Process Engineering上发表“仿蜻蜓翅膀的排水管网减淤设施周围的湍动特性研究”

第一作者：王冰（郑州大学水利与交通学院）

通讯作者：李志伟  （郑州大学水利与交通学院）

论文DOI：10.1016/j.jwpe.2026.109663

成果简介

郑州大学李志伟课题组在Journal of Water Process Engineering（IF=6.7）上发表了题为“Turbulent characteristics around sediment reduction facilities imitating dragonfly wings in sewer systems”的研究论文 (DOI：10.1016/j.jwpe.2026.109663)。该研究通过分离涡模拟比较了两种仿生减淤板——25°折板（P0）与仿蜻蜓翼形板（P3）的湍流调制机理。研究发现：P3在增强湍动能、优化湍流结构方面显著优于P0，其能谱呈现更均衡的三维能量分配，适用于长距离、小坡降管道的细颗粒悬浮输运；P0则凭借强局部扫掠作用，更适用于已形成淤积层的定点冲刷。该成果为管道沉积物分场景精准防控提供了理论支撑与设计新思路。

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针对排水管道沉积淤积难题，本研究通过高精度分离涡模拟，结合象限分析与湍流能谱方法，揭示了25°折板与仿蜻蜓翼形板对湍流结构的差异化调制机制。仿生翼形板褶皱结构平滑、流动分离被抑制，与此同时板下湍动能峰值提升至无板工况的200%，且沿程持续增大；其能谱呈(S_u' > S_w'> S_v')的均衡层次，垂向脉动能量显著增强，形成持续稳定的沉积物悬浮。而25°折板在管底及近底区域以扫掠事件为主导，产生高强度局部剪应力。基于上述机理差异，明确两种板型的工程定位：P3适用于长距离、小坡降管段中细颗粒物的长效悬浮输运，P0适用于局部严重淤积区的强力冲刷。研究为管道沉积物的精准、长效防控提供了理论支撑与选型依据。

引言

城市排水管道中沉积物淤积降低过流能力、增加运维成本。传统水力冲刷、机械清淤等方式存在效率低、扰动大等问题。近年来，仿生减淤结构因其长效的特点受到关注。前期研究已证实25°折板具有一定减淤效果，但其湍流调制机制尚不明确。为进一步提升性能，本研究引入蜻蜓翅膀形态优化的P3板，采用象限分析与湍流能谱方法，系统揭示两种板型对湍流结构的影响机理，为优化设计提供理论支撑。

图文导读

Fig. 1.Turbulent kinetic energy (k) profiles in the central plane 5 mm from the bottom of the pipe.

P3板下游湍动能峰值达无板工况的200%，且自板前缘起即维持120%以上水平，空间分布均匀；P0板前缘出现抑制区（降至70%），沿程呈现明显起伏变化。

Fig. 2. Contribution of each flow quadrant to the Reynolds stress along vertical cross-sections that at three ridges in each of the upstream, midstream, and downstream segments of the sediment reduction plates for the P0 case.

Fig. 3. Contribution of each flow quadrant to the Reynolds stress along streamwise cross-sections at the near-pipe-bottom region (y = -0.145m) that span the entire sediment reduction plates for the P3 case.

P0板上游及中游脊区由外向/内向相互作用（Q1/Q3）主导，促进悬浮；中游槽底扫掠（Q4）成为唯一主导事件，产生局部强剪应力；下游近底区域则以喷射与扫掠（Q2/Q4）共同主导。P3板近底区域沿流向均由外向相互作用与扫掠（Q1/Q4）稳定主导，象限贡献幅值波动小，流态均匀。二者对比表明：P0通过间歇性强扫掠实现定点冲刷，但槽区应力衰减；P3则以持续的扫掠-外向耦合作用维持均匀悬浮。

Fig. 4.Spectral densities of velocityalong the sediment reduction plate under P0 case.

Fig. 5.Spectral densities of velocityalong the sediment reduction plate under P3 case.

P0板能谱呈(S_u' > S_v' > S_w')，流向脉动占优，垂向脉动最弱。P3板能谱呈(S_u' > S_w'> S_v')，垂向脉动能量跃居第二，且高频段衰减更平缓。对比表明：P0板湍流能量集中于流向，利于产生强扫掠、实现定点冲刷；P3板则将更多能量分配至垂向脉动，更利于沉积物的持续悬浮。

小结

本研究从湍流动力学层面揭示了仿生减淤板形态与性能的内在关联。P3板通过平滑的波浪形态实现了湍流能量的均衡分配与垂向强化，形成空间稳定、持续悬浮的流场特征；P0板则以局部扫掠事件为核心，产生高强度间歇冲刷。两种板型并非优劣之分，而是机理不同、场景互补。研究为管道沉积物的分域精准防控提供了新的设计思路，也为仿生结构在排水系统中的工程转化奠定了理论基础。