黏性泥沙絮凝研究现状与进展

黏性泥沙絮凝机理研究对河口、水库、航道淤积治理及水环境保护具有重要意义.总结了泥沙絮凝研究中数值模拟、现场观测、室内试验等手段的试验装置和方法,阐述了紊动剪切率、盐度、悬沙浓度、有机质等因素作用下的泥沙絮凝研究成果.分析认为,在三维絮团结构观测、高浓度水体絮凝试验装置、多因素影响的泥沙絮凝,以及水流紊动与絮团特性对应关...     

水体紊动对黏性泥沙絮凝影响研究

紊动水流中黏性泥沙絮凝沉降对河口海岸黏性泥沙输送过程起着十分重要的作用。建立了均匀各向同性紊流中黏性泥沙絮凝沉降的三维格子玻尔兹曼数学模型,模拟不同紊动剪切率对黏性泥沙絮凝过程的影响。模拟结果表明:随着紊动剪切率的增加,计算区域内絮团形成所需的时间先减少后增加,黏性泥沙沉降速度也呈现先减小后增大的趋势,剪切率的转折点在200s-1左右,与已有观测结果一致。模拟结果反映了低强度水体紊动对絮凝有促进作用而高强度水体紊动对絮凝有抑制作用。     

紊动和温度联合作用对黏性泥沙絮凝沉降影响试验研究

河口海岸地区,黏性泥沙絮凝沉降特性对泥沙输移起着重要作用。影响黏性泥沙絮凝的因素很多,其中水体剪切和温度是两个重要因素。利用一种温度和紊流同时可控的泥沙沉降观测实验装置,以高岭土为实验材料,研究了紊动和温度联合作用下对黏性泥沙絮凝沉降的影响规律。研究发现弱紊动条件下,随着温度的升高,高岭土浓度变化越快;强紊动条件下,温度对浓度变化的影响不明显。絮团粒径随温度升高而增大,随着紊动强度的增加先增大后减小。相同剪切率条件下,絮团沉降速度随温度的升高而增加;相同温度条件下,絮团沉降速度随紊动强度的增加先增大后减小,主要是由于小剪切强度条件会促进絮凝,而剪切率增大能抑制絮凝,导致大絮团破裂形成小絮团。     

紊动水体中泥沙絮团结构及其密度变化

本文根据紊动盐水中的泥沙絮凝试验,利用一系列泥沙絮团的电子显微镜图片,分析了泥沙絮团住紊动水体中的形貌、结构变化;并对泥沙絮团密度随絮凝历时的变化进行了初步的探讨。结果表明,在紊动水体中,泥沙很快产生絮凝,絮团结构松散,且随絮凝历时的增加,絮团结构逐步从松散趋向于某个稳定的密实状态。     

黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究

黏性泥沙运动特性是河流海洋泥沙动力学研究热点之一。为研究紊动水体中黏性泥沙运动过程及其机理,以絮凝动力学方程为基础,通过设置不同粒径级别的泥沙絮团再悬浮量为下边界条件来反映黏性泥沙絮团的再悬浮,建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮动态过程数学模型。模型验证结果表明,新建模型可用于描述黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程,且具有一定的精度。最后以泥沙絮团体积分布为指标,探讨了强紊动水体中絮凝、沉降和紊动扩散在这一动态过程中的作用。研究结果表明,强紊动水体中,上层区域泥沙絮团分布的决定因素是沉降和紊动扩散;中部区域是絮凝;下层区域是絮凝和紊动扩散。     

紊动对黏性细颗粒泥沙絮凝沉降影响的试验研究

利用室内环形水槽及高倍摄像设备,定量研究了不同悬沙浓度及紊动剪切对黏性细颗粒泥沙絮凝沉降特性的影响。试验中观测到的絮团粒径为分散颗粒的几倍到几十倍,絮团中值粒径随着水体紊动剪切的增大呈先增大后减小的变化趋势,最大的中值粒径约为150μm,出现在紊动剪切为30 1/s条件下。悬沙浓度的增大促进絮团的发育,在350 mg/L条件下形成的絮团整体粒径比150 mg/L条件下的更大。絮团中值沉降速度在0.7～3.4 mm/s之间,絮团最大的中值沉速出现在紊动强度最大时65 1/s,此时所形成的絮团结构密实,有效密度较大。絮团有效密度随着粒径的增大而减小,研究表明,采用变分形维数方法,对有效密度随粒径变化的模拟结果与试验结果吻合较好。     

黏性泥沙受紊动剪切作用下的絮凝效果研究

我国水库运行一直面临着泥沙淤积的问题,而水动力条件的改变对泥沙的絮凝有莫大的影响,针对此问题,研发了一套絮凝沉降装置,以三峡库区长寿河段泥沙为样本,利用多层震动格栅在圆柱形沉降筒中产生各向同性均匀紊流,结合絮凝沉降观测装置,研究分析紊动剪切作用对黏性泥沙絮凝的影响,并得出了基于试验的最优剪切率。结果表明:紊动对于泥沙颗粒的絮凝有较明显的促进作用,且随泥沙浓度的增大(0. 3~1. 0 g/L),絮凝程度也相应地增加;紊动剪切对于中、大颗粒絮体(0. 048~0. 384 mm)的分布具有较大影响;泥沙颗粒在进入沉降柱后可以在几十分钟内快速完成絮凝,在30 min左右即可观测到最大颗粒絮体,随后颗粒最大粒径逐渐下降直至平衡;随着紊动剪切率的增加,其对于絮凝的作用呈现先促进后抑制的规律。     

基于耗散粒子动力学的剪切流中黏性沙絮凝机理研究

基于介观尺度下的耗散粒子动力学方法,建立了包含力场势函数的均匀各向同性紊流模型,对不同剪切率条件下黏性泥沙的絮凝过程及絮团形态进行了模拟计算。结果表明:随着剪切率的增大,体系中絮团初始出现的时间先急剧减小,后经短暂平稳过渡,又迅速增大,最后基本保持不变;水体剪切率较小时,非键能减小速度较快,随着剪切率进一步增大,非键能减小速度逐渐变缓,体系稳定性逐渐降低;当剪切率较小时,絮团形态更为致密,分形维数逐渐增大;随着剪切率的进一步增大,伴随有多个小絮团出现,分形维数逐渐减小,最终保持在1.12左右;在紊动剪切条件下,体系中絮团一直处于碰撞、絮凝、破碎的动态过程。     

黏性泥沙絮团强度的试验研究综述

絮凝是河口地区水沙交换过程中极为重要的一环,动水絮凝过程可概括为:颗粒碰撞—有效碰撞黏结—絮团重构—絮团破裂—絮团再形成,最终絮团达到动态平衡状态,这是絮团强度在紊动剪切作用下的结果。从絮团强度的试验研究角度回顾了国内外研究进展,此方面研究多围绕絮凝的影响因素与絮团强度的特征参数之间的定性规律、经验或半经验定量关系的角度展开,采用不同的观测装置、设备和技术,以期对絮凝动力学得到更为深入的认识。     

粘性细颗粒泥沙絮团发育与絮网发育临界判据的初步研究

单颗粒沉降、絮团发育沉降、絮网压缩沉降是粘性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝发育的三种不同相态,其中关于从絮团发育沉降转变到絮网压缩沉降这一临界状态的研究比较少见.本文从特征絮团的角度出发,考虑形成絮网的临界状态分别得出了静水、动水不同条件下区分絮团发育与絮网发育的临界判据,其分析结果与试验观察定性的一致.     

长江悬浮物絮凝特征

河流淡水环境的实有絮凝特征及变化过程长期以来缺乏观测和研究.本文利用现场激光粒度仪(LISST-100)实测得到长江流域干流4050km,13个主要站位的絮团大小、分布和沿程变化特征,对比分散粒径和悬浮物浓度,得到认识:长江干流水体的现场悬浮物絮团粒径平均为35 μm(洪季),泥沙中值粒径平均为5μm,絮团粒径比泥沙中值粒径大一个量级,证明了长江干流絮凝现象的普遍存在.上游石鼓至万州,絮团粒径平均为17μm,明显小于中下游絮团粒径,为47μm.上游与中下游絮团粒径的差别,主要是受水动力条件的影响.三峡水库蓄水对于絮凝过程有一定的影响,水库以上缓流区水体滞留时间长,有利于絮团成长;库区絮团经过大坝,被水流打散而破碎,产生解絮过程.絮团在长江干流水体中已经形成,季节性变化不明显,其粒径要比河口絮团粒径小.河口环境下,絮团可以增长数倍.联系已有长江河口絮凝现象的观测研究,河流淡水环境的絮团可作为河口盐淡水环境絮团的背景絮团.全文提示了在研究河流泥沙输运、水库泥沙淤积和河流污染物输送等方面应该充分考虑絮凝的影响.     

潮汐水流中细颗粒泥沙絮凝沉降的初步探讨

通常采用泥沙的静水沉速,以计算水流的挟沙能力,在理论上是不合适的.影响泥沙沉降的因素,在紊流中是水流的紊动扩散等,而静水中仅有布朗运动.此外,根据潮汐水流的原状水样试验及实测资料分析结果,都表明动水中泥沙的絮凝沉速较静水的絮凝沉速约大十余倍. 阿尔卡门等人认为细颗粒的紊动扩散与脉动流速平方的平均值及粒径的关系较大,就提出了紊动扩散系数公式(7).我们对该式的比例常数K_s进行尺度分析,并对天然河道的含沙量分布不均匀性提出了修正系数.最后求得泥沙絮凝前后粒数比的近似计算式(20),然后利用美国萨凡娜港湾和长江口的全潮观测资料,进行分析计算,计算结果与实测数据比较符合.此外,我们分析河道紊动强度与人工紊动试验流速梯度G之间关系,以验算实测资料,表明絮团尚未到达破裂程度.     

紊动对细泥沙浆液絮凝结构的影响

通过格栅以一定振幅不同频率的往复运动,在水体中造成均匀的紊动场,来研究紊动对细泥沙浆液絮凝结构的影响。结果表明,紊动作用既有增加絮团结合的机会、使结构链增多、絮凝增强的一面,又有破坏已形成的絮凝结构、使部分结构链转化为自由链的一面,前者在浆液浓度较低、格栅振频较小时可能出现,后者则在多数情况下居于主导地位。紊动对絮凝结构的这种影响,表现为浆液的宾汉切应力随紊动强度有较大的变化。所以,不考虑紊动给悬浮液流变性质带来的影响,不但会造成一定的误差,有时还会搞错问题的性质。     

黏性泥沙不等速沉降絮凝的格子Boltzmann模拟

建立黏性泥沙运动的三维格子Boltzmann模型,对黏性泥沙不等速沉降絮凝过程进行全尺度直接数值模拟,从微观角度分析了泥沙颗粒不等速沉降形成的絮团特性和絮团成长过程。模拟结果与已有实验结果一致。模拟结果还表明,不等速沉降时不同泥沙浓度条件下形成的絮团若大小相近则沉降速度接近,但泥沙浓度对水体中泥沙总体平均沉速有明显影响,泥沙浓度越高,泥沙平均沉速越大,主要是因为泥沙浓度越大,颗粒之间越容易发生碰撞而形成更大、更多的絮团。     

黏性泥沙絮团形态的模拟研究

基于耗散粒子动力学方法,通过构造作用力场势函数,模拟计算了不同电荷量及泥沙浓度条件下黏性泥沙的絮凝过程,得到了在范德华力、静电力以及氢键力作用下,负电性泥沙颗粒絮团形成过程及三维结构形态。结果表明,絮团内部非键能的变化是导致絮团外部形态变化的内在原因。泥沙颗粒表面的负电荷量越大,非键能越大,形成初始絮团所需要的时间越长。在泥沙颗粒黏结絮凝过程中,非键能与分形维数减小,絮团中泥沙颗粒数目增多。在一定的絮凝时间内,低电荷泥沙形成的絮团中泥沙颗粒数目明显大于高电荷量下絮团中泥沙颗粒数目。泥沙颗粒表面负电荷量大的泥沙形成的絮团分形维数大于负电荷量小的絮团分形维数。水沙体系中泥沙浓度越大,最终形成的絮团个数越少,絮团结构越密实。     

泥沙絮团结构的试验研究综述

承接《泥沙研究》2015(5)黏性泥沙絮团强度的试验综述,絮团结构与絮团强度密切相关,是动水条件下表现出的絮团强度的微观解释。絮团结构,即絮团内部链接键的数量、强度和链接方式。总结了以往絮凝试验研究中对于絮团结构的量化描述以及相应研究进展。     

水体紊动作用下湖泊泥沙解吸释放磷的实验研究

为了揭示水体紊动对湖泊泥沙解吸释放磷的影响,本文选取东洞庭湖湖底表层泥沙作为研究对象,通过近似均匀紊流模拟装置模拟不同强度的紊动水体,研究紊动作用下泥沙解吸释放磷的影响因素和基本规律,结果表明:泥沙起动之前,在垂向紊动扩散作用下,表层泥沙孔隙水与上覆水之间的溶解态磷交换,是溶解态磷迅速增大的主要原因;在较强紊动作用下,泥沙普遍起动,悬浮泥沙所吸附的磷解吸至水体中,溶解态磷含量显著增大,泥沙浓度越高,溶解态磷含量增长速率越大,达到平衡的时间越短;紊动扩散作用对泥沙解吸释放磷影响显著。     

均匀切变水流对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响研究

黏性细颗粒泥沙的絮凝是河流动力学中一个重要且尚未完善的研究课题。本文以分形聚集生长理论为基础,考虑了絮团破碎、泥沙浓度等因素的影响,使用三维无网格方法,在MATLAB平台上通过模拟泥沙颗粒和絮团在布朗运动、重力沉降和均匀切变水流作用下的碰撞黏结过程,研究了水流剪切作用对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响。研究结果表明：水流作用可提高颗粒之间的碰撞几率,促进絮凝,但高水流剪切力作用下絮团破碎现象明显,因此,水流速度梯度的大小对细颗粒泥沙的絮凝有一定的影响,即絮凝速度及絮团平均粒径随水流流速梯度的增大呈先增后减的规律;均匀切变水流作用下,絮团粒径分布均匀化,絮团在垂直水流方向上发育较好且分形维数较大。本文研究成果是进一步研究天然河道中黏性细颗粒泥沙絮凝机理的成功尝试。     

粘性细颗粒泥沙絮凝研究概述

以絮凝动力学理论(Smoluchowski方程)、胶体稳定性理论(DLVO理论)和分形几何(Fractal Geometry)在絮凝研究中的应用为线索，回顾了粘性细颗粒泥沙絮凝结构，絮团沉速，以及影响絮凝因素(泥沙粒径、浓度、电解质阳离子、温度和水流紊动等)等方面的研究成果；综述了絮团的尺寸、密度、沉速、破坏强度及碰撞频率函数的分形几何描述方式；介绍了快速絮凝和慢速絮凝的分形生长模型，以及絮凝发育过程数值模拟的研究进展．针对河流泥沙在矿物组成、颗粒尺度、表面电荷分布和水中盐分多样性的特点，以及粘性细颗粒泥沙絮凝研究的特殊性，提出进一步深化粘性细颗粒泥沙絮凝研究的建议．     

絮凝对三峡水库泥沙沉降的影响

现场与室内实测的泥沙级配差异证实了三峡水库中存在泥沙絮凝现象,絮凝会加速水库泥沙淤积速率。为了确定絮凝对泥沙沉降速率的影响,现场采集了三峡水库原样泥沙,基于三峡水库水体环境,采用室内静水沉降试验对三峡水库中泥沙絮凝沉降规律进行了研究。研究结果表明,当试验采用的初始含沙量大于0.3 kg/m3时,部分单颗粒泥沙会聚集形成絮团,且泥沙絮凝程度以及沉速增加的幅度与水体中含沙量呈正比。参与絮团形成的单颗粒泥沙粒径均位于0.022 mm以下,小于临界粒径的泥沙占全沙的83%;采用絮凝因数和物质沉降通量因数分别表征絮凝对泥沙沉降的影响程度,这两种因数都随含沙量增加而增加,含沙量在1.5 kg/m3以下时其最大值分别为5.03和1.66,表明絮凝对三峡库区汛期的泥沙淤积有可能造成较大影响。