(1.Department of Hydraulic Engineerurg，Tsinghua University， Beijing 100084;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044)
Abstract: Coherent structures of various spatial scales have been identified in open channel flows.These multi-scale struchures，while playing a notable role in sediment transport， are notoriously difficult to be quantified due to their fast evolution in both tune and space.The application of new techniques in flow measurement particle image velocimetry) and data analysis (proper orthogonal decomposition) has markedly furthered our understanding of the open channel cohere structures in terms of their characteristics and interactions. This article summarizes recent progret puts forward a unified model， and lists key topics for future research.
早期多使用流动可视化技术，通过在流体中施放气泡、烟雾或染色剂等示踪物质来定性研究相干结构。高频率、高精度、全流场测速技术为定量研究相干结构提供了有力工具，而粒子图像测速技术( PIV)则是其中的典型代表。为更好地捕捉相干结构的时间演化过程，需要采用高频摄像机进行图像采集（性能良好的CMOS相机在百万像素分辨率下的帧频可达每秒5000帧以上）。目前，基于高功率连续激光光源的二维高频PIV已经得到普遍应用(Adrian and Westerweel，2010; Willert，2015)。由于明渠紊流具有明显的三维时变特征，因此研究相干结构*理想的测量技术为三维立体PIV。目前已提出立体粒子图像测速(SPIV、多平面粒子图像测速(MPPIV、扫描平面粒子图像测速(SPPIV、全息粒子图像测速(HPIV和层析粒子图像测速(TPIV等多种三维立体PIV实现途径(Westerweel et al.，2013;陈启刚，2014)。第四届PIV Challenge的整体情况表明，立体PIV开发和应用已经成为流体力学的热点之一(Kaehler et a1.，2016)。
涡漩是明渠水流中重要的相干结构，由涡量高度集中的涡核及涡核周围的环形或螺旋形诱导流场组成。识别涡漩的经典方法包括封闭或旋转流线法、局部高值涡量区法及模式匹配法等。近年来，基于临界点理论的局部分析法得到了更为广泛的应用。该方法以流场中速度梯度张量的特征量为指标，通过比较特征量的数值与给定阈值的大小来判断涡漩是否出现。目前，使用*普遍的特征量是表征涡漩旋转角速度的旋转强度。旋转强度法物理意义明确，能去除时均剪切的影响，**适合在明渠紊流研究中使用(Chen et al．，2015)。对于不可压缩三维流速场，ci具有理论解(Chen et al．，2014a)。值得指出的是，从三维流场得到的旋转强度值要大于从该三维流场中任意切面二维流场的旋转强度值，因此应用三维和二维流场提取的涡漩结构并不一致，但二维涡漩的半径可作为三维涡管收敛半径的近似值（陈槐，2015）。
由于漩涡结构与时均流动的界限并不清晰，因此对涡漩的识别结果强烈依赖于阈值的选择。明渠紊流中，涡漩在垂向上存在较强的不均匀性，因此确定一个合理的阈值**困难。为简化涡漩提取，研究中常对当地涡漩旋转强度进行归一化处理，从而可以在全流场中采用单一的固定阈值(Wu and Christensen，2006)。在明渠紊流中，正向涡漩的数目要大于逆向涡漩的数目，为保证对等提取，建议对正、逆向涡分别进行无量纲化处理(Chen et al．，2014b，2014C)。
在床面附近，*早发现的相干结构是条带结构与猝发现象。条带结构的纵向平均长度约为1000Y*左右（y*=v/优水，y为水的运动黏滞系数，优水为摩阻流速），在输移的过程中逐渐抬升并突然振荡破碎，形成喷射和清扫。由于条带结构与猝发现象主要受壁面控制，因此明渠紊流床面附近占知名品牌地位的相干结构与其他壁面紊流相似。在主流区，明渠紊流中己发现了诸多相干现象，比如从黏性底层和缓冲区发展至外区的猝发、横向涡(Roussinova et al．，2010)和等动量区(Nezu and Sanjou， 2011)0在水面附近，明渠紊流中特殊的相干现象是泡漩，平均直径约为0.5办（办为水深），而平均间距为2办～3办。除泡漩外，在自由水面也发现了流速高低相间的成带现象，其宽度与水深同量级，长度可达10h~20h(Sukhodolov et al．，2011)。
