异重流是指两种密度不同但可相互混掺的流体间发生的分层运动现象。当环境流体为水时称为水下异重流,是众多异重流中极为经典的一类,普遍存在于众多自然界水体和人工水体中,如水库水体分层、沉砂池、冷却池、河口港湾等,其涉及面广,现象丰富多样,且产生机理和运动过程十分复杂。掌握水下异重流的形成机理和运动规律可为泥沙淤落、污染物扩散运输、河湖入海口水体相混等诸多问题的深入研究提供理论支撑。流体间相对运动产生的剪切力使得流体接触面附近区域紊动变强,涡结构急剧增加,这对水下异重流的形成和发展有着极其重要的作用。因此在研究水下异重流运动时,需对涡结构信息进行精确、细致地捕捉。大涡模拟是一种研究水下异重流的重要方法,它以特定的滤波方式将湍流涡结构过滤分成两种,分别为可解大尺度和不可解小尺度湍流涡。不可解小尺度湍流涡是通过建立封闭方程模型的方式求得该部分涡结构对湍流整体的作用,而可解大尺度涡则是直接求解不可压缩Navier-Stokes方程,保留了较大涡结构信息,可以较为精确地反映湍流内部一定尺度范围内的流动特征。本文采用三维大涡模拟方法对Islam等[24]人的经典异重流试验进行建模计算,经过分析主要得到以下结论:1.分别对三种不同尺寸网格的水下异重流模型采用三维大涡数值模拟方法进行仿真计算,当本模型的网格数量达到200万时,模拟结果较为良好,且已基本能够满足计算精度的要求,且随着网格密度的增加,所得结果变化不太,因此可认为本模型最佳网格的数量为200万。另外,最佳网格模型的计算结果与试验实测数据较为吻合,说明三维大涡模拟方法模拟水下异重流的适用性。2.提取计算达到相对稳定后的水下异重流速度场,采用快速傅里叶变换方法计算得到湍流动能数据,并绘制成湍流能谱曲线图。结果显示水下异重流的湍动能曲线符合经典湍流的一般规律。当波数k介于25～50m-1之间时满足-5/3幂次律,即涡尺度的惯性子区。3.三维大涡数值模拟方法能够表现出水下异重流运动两种不同形成机制的湍流拟序结构,分别为异重流头部、背部自由剪切带的Kelvin-Helmholtz滚动现象,及底部边界层附近的粘性机制拟序结构。4.通过Q准则对涡结构进行捕捉,分析了异重流涡结构的形成及发育过程。异重流运动过程中,在入口附近,异重流尚处于发育阶段,此时涡结构数量非常少,但尺度和强度均较大。在X=1m至X=5m段,涡结构变得破碎,强度小,随着异重流向前运动,速度逐渐加快,剪切力也随之增强,涡结构的数量和强度均增大,至X=5m附近发生类水跃现象,涡结构强度、数量和尺度进一步增大。类水跃现象至X=8m附近结束,涡结构强度和数量逐渐减弱。5.对不同环境流体密度及主流体比重的六种工况进行大涡模拟计算,并对水下异重流的演进过程及流速矢量场进行分析和讨论,发现异重流运动主要与主流体和环境流体的比重相关,而与环境流体密度单一因素关系不大。