水流泥沙的耦合运动决定河流、海岸的演变以及工程结构物周围的地形冲淤变化,因此水沙耦合运动研究具有重要的工程意义。随着并行能力的提升和并行计算技术的发展,基于离散颗粒模型研究水沙耦合运动基本规律成为近年来泥沙研究的重要方向之一。在离散颗粒模拟中,水流与泥沙颗粒之间相互作用力的准确计算是决定模型精度的关键环节。为了更准确地模拟近床面泥沙运动,本文通过理论推导和数值模拟分析了层流和紊流条件下水流对近床面颗粒的作用力,提出了更合理的近床面泥沙颗粒受力公式,并应用于离散颗粒模型中。本文的具体研究内容和主要结论如下。(1)基于有限体积法建立了水流泥沙耦合运动模拟的离散点颗粒数值模型。将基于扩散理论的变量映射方法引入建立的模型实现离散泥沙颗粒点到水流计算网格单元的映射,并改进了模型中润滑作用的计算。通过改进模型模拟的水下颗粒和床面碰撞结果与实验结果的对比,论证本文建立的离散点颗粒模型能够合理描述水流泥沙耦合运动过程。(2)解析推导了低颗粒雷诺数时明渠层流中考虑边壁影响的水流颗粒作用力,结合配点法进行作用力求解和收敛性分析,并采用高精度的数值计算结果进行了对比校核。采用推导的解精确计算了明渠层流中受边壁影响的颗粒拖曳力和力矩值,分析了边壁对作用力的影响规律,并通过拟合给出了力和力矩的计算式。(3)采用颗粒解析数值模拟的方法,计算了明渠层流条件下不同雷诺数时的主要作用力—拖曳力,拟合了适用于明渠层流条件下所有雷诺数范围的拖曳力公式,拟合的拖曳力修正公式表示为颗粒雷诺数和近床面影响两相互独立的函数。最后将拟合公式应用于明渠层流近底泥沙输运的模拟,获得了与已有拖曳力公式相比更合理的输沙结果。(4)通过颗粒解析的两相流模型模拟明渠紊流近床面泥沙颗粒的运动过程,对颗粒受力规律进行分析。根据离散点颗粒模型受力计算对变量的需求,将颗粒解析模型计算结果进行分析和处理,在对已有颗粒受力公式误差进行评估的基础上,提出了明渠紊流近床面考虑遮蔽效应的多颗粒泥沙水流作用力公式。(5)将近底多颗粒泥沙作用力公式应用于明渠流不同泥沙输运模拟,并与常用颗粒受力公式进行对比,基于本文公式模拟的泥沙运动和输沙率结果与颗粒解析模型结果更为接近。