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。     

悬浮泥沙环境下微塑料颗粒的絮凝特征研究北大核心CSCD

微塑料颗粒与悬浮泥沙的絮凝特征研究,尤其在天然水体环境中生物膜附着的情况下,对于微塑料颗粒在紊动水体中与悬浮泥沙的沉积动力学过程具有科学意义。选用高岭土作为悬浮泥沙的代表,与聚乙烯微塑料颗粒在紊动剪切率可控的搅拌槽中进行絮凝试验,并采用非侵入式絮凝体观测系统进行观测,分析絮团在不同悬浮泥沙浓度及不同紊动剪切率条件下的絮凝特征。试验结果表明,随着紊动剪切率和悬浮泥沙浓度的增加,絮团的特征粒径总体呈现出先增大后减小的规律。利用Winterwerp模型对试验数据进行拟合,数值模拟结果较好地印证了试验的结果。     

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。     

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。     

温度对高岭土絮凝沉降影响的沉降筒实验研究

黏性泥沙的絮凝沉降对于黏性泥沙输移有十分重要的意义。该文通过在圆柱形沉降筒中进行高岭土静水絮凝沉降实验,选取5℃、10℃、15℃、20℃、25℃和30℃六种不同的温度条件,研究温度对高岭土絮凝沉降的影响规律。结果表明:在一定泥沙浓度条件下,随着温度的升高,高岭土沉速呈现上升趋势,并且当温度超过25℃时,沉速增加速率明显加快;盐水环境(盐度5 ppt)中的高岭土沉降速度大于同等条件下淡水环境中的沉降速度。提出了考虑温度影响的高岭土沉速经验公式。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

黏性细颗粒泥沙絮凝及沉降的三维模拟

鉴于试验观察黏性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝-沉降过程存在技术困难，尝试以分形生长理论为基础，使用改进的受限反应絮团聚集(RLCCA)模型，在计算机上模拟这一复杂过程。模型考虑了絮团的分形结构与可渗透特性、泥沙浓度对悬浮液黏性的影响等因素，复演颗粒、絮团在重力沉降和布朗作用下的三维运动及相互碰撞并黏结的现象。在对模拟数据的统计分析基础上，讨论了絮凝-沉降过程的各种特性，结果表明：碰撞效率系数不同时，絮凝发育过程存在相似性。     

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。     

黏性细颗粒泥沙絮凝发育时空过程的数值模拟

以Smoluchowski方程为基础,用数值模拟方法研究黏性细颗粒泥沙絮凝-沉降的时空过程。模拟设定泥沙最小基本颗粒粒径5μm,絮团分形维数1.78,模拟高度1.75 m,模拟总时长300 min,初始条件为各级泥沙颗粒-絮团浓度各向均匀分布,入口、出口无泥沙通量。模拟给出泥沙质量浓度、絮团平均粒径、絮团粒径分布等参数的时空变化过程。模拟发现:各个高度上泥沙质量浓度随时间变化的曲线均呈平缓衰减、快速下降与趋零三个阶段,其形状相似;位置越低,曲线的显现时间越滞后。絮团质量加权平均粒径随时间变化过程存在升涨-高峰-衰落三个阶段。碰撞效率系数越大,峰值越高;位置越低,峰现时间越滞后。本文还以泥沙质量浓度随时间变化为例,比较了数值模拟与絮凝试验的测量结果,二者基本一致。     

温度对黏性泥沙絮凝影响的机理研究

用格子玻耳兹曼方法,引入胶体作用理论(e Xtended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory,XDLVO理论)模拟不同温度下两个黏性泥沙颗粒静水不等速沉降絮凝过程。结果表明,温度升高缩短泥沙絮凝时间,促进絮凝。同时分析了泥沙颗粒的运动轨迹、相对运动速度和颗粒间近距离作用力,探讨温度对泥沙絮凝的影响机理。分析结果认为温度升高一方面减小水体黏性系数,加大泥沙沉速,加快泥沙颗粒相互靠近;另一方面,增大泥沙颗粒表面吸附水膜厚度的同时,也增大泥沙颗粒之间的近距离排斥力,对吸附水膜厚度和排斥力影响的综合结果也促进了絮凝。     

一种改进的聚合模型在污泥絮凝-沉降模拟中的应用

鉴于在试验中难以观测到污泥絮团的粒径分布情况,且以往类似模拟中鲜有考虑絮团分形特征及絮团黏结效率的问题,通过一种改进的聚合模型来模拟污泥颗粒间的分形聚合机理,并在群体平衡模型(PBM)和两相流Mixture模型基础上对污泥的絮凝-沉降进行三维数值模拟。模拟结果表明:建立的数学模型能较好地反映黏性污泥分形絮凝-沉降规律,具预测絮团粒径分布的能力;在同一时刻絮团的粒径分布范围随着分形维数的降低逐渐变宽,大粒径絮团数量迅速增加,小粒径絮团数量逐渐减少;初始颗粒数量的衰减速率随分形维数的增大而增大;絮团数量总体呈先增加后减少的趋势,但当分形维数不同时,其最大值随分形维数的增大而增大,出现时间随着分形维数的增大而有所缩短。     

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．