床壁对颗粒沉速及悬移质浓度垂线分布的影响

床壁附近的颗粒,沉降时的阻力系数比在水深上部要大,离床壁愈近,颗粒沉速愈小,沉速不仅为粒径和容重而且也为离床壁距离的函数,本文据此推导得出了新的悬移质扩散方程近似解,新的悬移质浓度垂线分布公式表明,床壁影响使含沙浓度垂线分布趋向均匀,无量纲水流剪切力愈小,则推移层厚度与粒径之比愈小,床壁影响也就愈大,悬浮指数为Z的新的悬移质浓度垂线分布公式,可以近似地以原来的扩散方程第一近似解的分布公式结构来表达而采用新的悬浮指数Z_1本文提出了Z_1/Z_的计算公式,Z_1/z小于1且随Z增大及粒径D减小而减小,计算结果及结论与实际资料符合,     

粗颗粒在粘土浆液中的沉速

颗粒的沉速是泥沙运动中的一个重要参数。诸如悬移质泥沙含沙量的垂线分布和沉淀落淤速度、悬移质与推移质的判别和相互交换……,都与这一参数密切相关。已有的研究表明,颗粒的粒径、比重、形状以及容器的边壁、含沙量等都对颗粒的沉速有影响。对于一定粒径、比重、形状的颗粒说来,含沙浓度特别是粘土颗粒含沙浓度的大小对其沉速的影响最大。天然河流的高含沙水流多数可以看成是粘土浆液挟带粗颗粒泥沙的运动。因而,粗颗粒在粘土浆液中的沉速是高含沙水流研究中的一个基本问题。本文将着重研究这一问题。     

细颗粒含量对粗颗粒含沙量分布及挟沙能力的影响

本文通过水槽试验,研究了细颗粒(粘土类细颗粒)含量对粗颗粒含沙量分布及挟沙能力的的影响。粘土类泥浆具有宾汉流体的特性,其宾汉切应力及刚度系数随细颗粒含沙量S_F的增大而急剧增大。粘性增大使得粗颗粒在其中的沉速大幅度减小,水流中粗颗粒含沙量沿垂线分布趋于均匀,但仍符合扩散理论,即在双对数纸上呈一直线。根据颗粒在宾汉体中下沉的C_D-Re_1关系可以推求粗颗粒在泥浆中的沉速W。而由实测粗颗粒含沙量的垂线分布也可以反算沉速,两者是一致的。S_F极高时流动呈层流流态,粗颗粒含沙量沿垂线均匀分布。粘土泥浆中粗颗粒沉速的减小也有助于粗颗粒的输送。细颗粒含沙量愈大,同样水流强度条件下粗颗粒的输沙率愈高。如果水流强度参数中的沉速采用C_D-Re_1关系推求,则不同细颗粒含沙量泥浆输送粗颗粒的挟沙能力关系可以统一起来。细颗粒含沙量极高的挟沙能力有待进一步研究。     

挟沙水流中悬浮颗粒的漂移—扩散方程

本文基于固液两相流动双流体模型的基本方程推导得到了挟沙水流中悬浮颗粒的漂移-扩散方程，该方程表明，除重力外，作用在颗粒上的升力、虚拟质量力、Basset力等，以及颗粒间相互作用都会影响颗粒浓度分布，对明渠中悬浮颗粒浓度垂线分布分析结果表明，在床面附近有较大值的升力是使得悬浮颗粒浓度在趋近床面时增大趋势趋缓，甚至趋向于零的重要因素，本文公式与明渠实测悬浮颗粒浓度垂线分布的对比也证实了这一点。     

关于悬移质含沙量沿垂线分布的几个问题

本文从悬移质扩散方程出发,根据粘性流体的非滑移条件,考虑了泥沙颗粒周围有部分流体随泥沙一起运动的特点,得到了一个新的平衡情况下恒定均匀二维明渠流的悬移质运动的基本方程,即其中m。等于泥沙体积和随泥沙颗粒一起运动的水体体积之和与相应体积内的泥沙体积之比.它与泥沙颗粒的大小,形状及含沙量有关.根据上述方程得到的含沙量沿垂线的分布公式,不仅较好地克服了Rouse公式中存在的水面含沙量为零、床面含沙量为无穷大的两大缺陷,而且其结果与实测资料较为符合,特别是近底含沙分布与实际情况十分吻合.     

基于紊流掺混理论的含沙量垂线分布

基于紊流掺混理论,根据尼古拉兹试验数据拟合了一个新的掺混长度公式,新公式计算结果和试验数据的相关系数为0.997。采用Rouse公式的两个假定并结合扩散方程,得到了一个新的含沙量垂线分布公式,该公式在区间(0,h]内形式一致,结构较为简单,同时克服了Rouse公式在水面处含沙量为0的缺陷。通过浙江台州、山东日照等近海海域实测资料的验证,表明新的含沙量垂线分布公式能够客观地反映悬移质含沙量沿垂线的分布规律。     

抛石沉降附加历时及其对漂距的影响分析北大核心CSCD

沉降附加历时是指抛石按实际变速沉降与以稳定沉速匀速沉降之间存在的历时差,目前还没有深入研究。基于抛石沉速和行程的理论方程式,引入沉降形阻系数、单径稳降历时和粒径水深比等参数,简化了抛石沉速和行程的理论公式结构,给出了沉降总历时和附加历时的精确解及等同的近似解,建立了沉降附加历时无量纲关系式和平均沉速理论计算式。实例分析表明,沉降附加历时比随着粒径水深比呈线性增加。基于流速垂线均匀分布的漂移速度和漂距方程,建立了相对漂距与佛汝德数和粒径水深比的无量纲表达式。分析结果表明,当粒径水深比为0.01~0.05时,忽略附加历时可使漂距偏差达到5%~50%,当粒径水深比为0.1时,偏差甚至超过100%。     

泥浆浊液面沉速特性分析及试验研究

悬浊液浊液面沉速与粉细颗粒絮凝作用紧密相关.通过沉降柱试验,建立浊液面稳定沉降段基于泥浆悬浊液浓度与单颗粒沉速的浊液面沉速方程,分析了浊波面的形成原因与沉速影响因素.结果表明:泥浆中土颗粒因尺寸分布差异而在沉降过程中存在层次沉降现象,沉降过程中不同沉降高度处粒组大小、含量均不同;浊液面沉速主要由上层悬浊液次级絮团沉速确定,内部絮团沉速对浊液面沉速无显著影响;颗粒粒径、粒组含量、起始沉降浓度、自重效应、黏滞效应以及絮凝体结构的层次性与差异性均影响浊液面的形成及沉速,其中颗粒粒径与起始沉降浓度是决定絮凝作用程度的决定性因素.     

基于Rouse公式的紊流区悬沙粒径级配垂线分布规律

基于Rouse公式及紊流泥沙沉速公式,分别推导得到了紊流时的悬沙粒径及级配垂线分布公式,前者直接量化了泥沙“上细下粗”的垂线分布规律,后者则可用于计算不同水层及垂线上总的悬沙粒径级配。通过实例,应用粒径级配计算公式得到了不同水层的悬沙粒径级配。结果表明:泥沙粒径“上细下粗”的分布规律明显;在越远离床面的水层,细颗粒所占的比重越大,粒径分布越均匀。当考虑悬浮高度影响时,以最大粒径悬沙的最大悬浮高度为界,该高度之下级配“等宽”,该高度之上级配“上窄下宽”。     

用粒径的数量分布表征的土壤分形特征

应用计算机图像分析技术，对6个典型土样测定土壤颗粒的等效直径和分布规律，给出用粒径的数量分布表征的土壤分形维数。结果表明：土壤颗粒的粒径分布具有一定的统计分形特征，分维数的数值反映了粒径大小和分布的均匀程度。分维数愈大，土壤颗粒的粒径愈小，细粒含量愈高，质地愈不均匀；土壤颗粒在单一粒级分布的集中程度对分维数的数值有重要影响，单一粒级的颗粒含量愈高，分维数愈大。计算机图像分析技术为土壤的分形研究提供了一种精确、简便的实验和分析方法。     

基于涡量-动量传递理论的天然河流流速与含沙量垂线分布公式

流速分布规律的研究是揭示水流流动特性的关键,含沙量分布规律的定量描述是研究悬移质运动的基础。鉴于同室内水槽试验资料相近的经典公式,同天然河流实测资料存在较大差距,本文在回顾前人研究成果的基础上,首先以涡量传递及动量传递理论为基础,对涡团模式建立的掺长积分取平均值后,求解恒定二维均匀紊流时均运动方程,得出了紊流流速垂线分布公式。然后,运用所得流速公式确定悬移质扩散系数,求解平衡情况下的扩散方程,得出了悬移质含沙量垂线分布公式。实测资料检验结果表明,本文建立的公式能较好描述天然河流流速及含沙量垂线分布规律,且克服了前人经典公式的理论缺陷。     

悬移质泥沙输移扩散方程适用条件的讨论

悬移质泥沙的输移扩散是泥沙运动力学的基础问题之一,学者们基于不同理论对其运动规律开展了深入研究。基于已有研究,本文主要讨论了不同理论下扩散方程的适用条件。研究结果表明,传统的Rouse扩散方程及其修正式仅适用于泥沙浓度较低、颗粒惯性小至可忽略的条件;两相流理论下的扩散方程由于未考虑颗粒惯性效应,同样只适用于浓度较低、颗粒较小的条件;近期Snehasis Kundul和Koeli Ghoshal基于漂移速度建立的扩散方程由于考虑了升力、颗粒惯性等因素对悬移质分布的影响,使其适用范围相应变大,但在确定泥沙扩散系数上仍然采用的是经验公式,应用上会受到实验资料的限制。基于动理学理论的扩散模型包括基于PDF方程的扩散方程和弥散方程。两个模型中,除了重力沉降和紊流扩散作用外,由于考虑了升力、颗粒紊动、颗粒惯性等影响因素,其在浓度较高、颗粒惯性较大时仍适用,具有普适性。尤其是弥散方程,能够反映颗粒浓度、颗粒紊动、颗粒碰撞等不同机制对泥沙悬浮的影响,全面阐释了悬移质泥沙扩散背后的力学机理。     

渭河下游水流挟沙力公式的初步研究

在对渭河下游成阳、临潼及华县站20世纪70年代以来实测水沙资料分析计算的基础上,考虑粒径分组、单颗粒沉速、浑水泥沙沉速修正、进口断面悬移质泥沙级配、非均匀沙代表沉速等因素影响,率定了渭河下游水流挟沙力公式系数和指数取值,在一维洪水演进计算应用中具有一定的适用性.     

不同粒径下悬移质含沙量垂线分布公式的验证与比较

泥沙扩散理论是研究悬移质含沙量垂线分布应用最广泛的理论。介绍扩散理论并评述由扩散理论衍生出的Rouse公式、张小峰公式以及Zagustin公式。分别采用粗颗粒及细颗粒泥沙实测资料对3个公式进行验证比较,并对验证结果进行分析。结果表明:在粗颗粒情况下张小峰公式精度较高;在细颗粒情况下3个公式与实测资料均有较大出入,但对分布指数进行修正后Rouse公式及Zagustin公式精度较高。     

论悬移质含沙量沿垂线的分布

按扩散理论、二相流理论、湍流猝发理论和随机理论对悬移质含沙量沿垂线分布的近期研究成果进行了分析、归纳和总结.得到了一个与张红武分布公式等价，但更简单，应用更方便的结果，给出了应用实例.推导了基于二相流理论、湍流猝发理论和随机理论的悬移质垂线分布的解析公式.     

固体颗粒的群体沉降速度分析

从流体力学原理出发，数值模拟非均匀沙随机分布对流场的影响，推导出固体颗粒群体沉速的理论解。该公式不仅量纲和谐，浓度变化不超过极限浓度值，能反映含沙量与非均匀沙级配变化对群体沉速的影响，而且可避免其它公式量纲不和谐，计算中出现负值或降得过快的缺点。采用黄河实测资料对该公式进行了验证，计算结果与实测资料基本符合。     

明渠挟沙水流的颗粒相平均速度及速度滑移

基于颗粒相动理学模型所确立的颗粒相基本方程和本构关系，导出了明渠挟沙水流中固液两相平均速度差的表达式，表明相间速度差与两相的垂向脉动强度、脉动切应力、水下重力、剪切升力、颗粒弛豫时间等有关，与两相沿流向脉动强度无关。运用水流速度的窦国仁公式，计算了颗粒相速度的垂线分布，分析了相间速度差的垂线分布特性，结果与试验资料吻合很好。表明相间速度差呈现出水面小、水底大的分布形式；细小颗粒的速度差近似为零，粗重颗粒的速度差明显、在固壁附近存在明显的极大值。     

镫口扬水灌区总干渠泥沙特性及冲淤规律研究

引黄灌区渠首泥沙淤积影响灌区正常运行,而灌区特有的来水来沙特性又影响着渠道的冲淤变化。以镫口扬水灌区总干渠为研究对象,通过对2015年不同灌水期含沙量沿程和垂线分布、泥沙颗粒级配等特性进行研究,结合张红武泥沙沉速公式及起动流速计算方法,分析了总干渠泥沙沉速及起动流速的特征及影响因素。结果表明:悬沙中73.7%以上为冲泻质,沉速均小于0.002 m/s,春灌期含沙量在渠首段明显降低,导致泵站出水口至伊泰桥段淤积严重;春灌和秋灌中粗颗粒泥沙含量高,导致含沙量垂向分布较夏灌一水、二水明显变化大;受水温及粒径影响,春灌期泥沙起动流速呈现先减小后增大的规律。     

论悬称质含沙量沿垂线的分布

按扩散理论、二相流理论、湍流猝发理论和随机理论对悬移质含沙量沿垂线分布的近期研究成果进行了分析，归纳和总结，得到了一个与张红武分布公式等价，但更简单、应用更方便的结果，给出了应用实例，推导了基于二相流理论，湖流猝发理论和随机理论的悬移质垂线分布的争析公式。     

明渠水流含沙量沿垂线分布研究

本文在分析天然河道高含沙水流实测含沙量分布的基础上，得到泥沙紊动扩散系数εs沿垂线分布的规律是：河底为零；河底至相对水深Y／H＝0.2范围内εs随水深增加而变大；Y／H＝0.2至水面区间基本是一常数，这与Anderson整理分析一般低含沙水流资料得到的结论是一致的，然后用分析所得的紊动扩散系数εs的表达式代入泥沙扩散方程求解析解，导出二维均匀明渠水流在平衡情况下悬移质含沙量沿垂线分布公式，该公式克服了经典的Rouse公式的两个缺陷，且与天然河道实测资料吻合较好。