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。     

近海与河口粘性泥沙输移过程——第六届INTERCOH 2000综述

第六届近海与河口粘性泥沙输移过程国际学术会议主要包括以下内容 :1)粘性泥沙与湍流的相互作用 ;2 )淤泥动力特性的现场观测 ;3)粘性泥沙输移过程的数值模拟 ;4 )絮凝作用和絮凝团沉降速率 ;5 )淤泥底床侵蚀、固结过程。主要进展表现在 :1)分形理论被应用于粘性泥沙运动 ;2 )水声学技术、PIV技术的应用 ;3)原位剪应力测量装置 (ISIS)被应用于测量淤泥表面、床体上的侵蚀剪应力分布 ;4 )生物对粘性泥沙运动影响的研究 ,即利用环形水槽实验等 ,探讨异养细菌、超细胞聚合体对粘性泥沙稳定作用的影响 ;5 )一种健壮、有效的适应有限元数学模型 ,考虑絮凝、非牛顿流及高浓度下的湍流耗散 ,被用来解决粘性泥沙的输移问题。     

三维分形絮团沉降的格子Boltzmann模拟

黏性泥沙絮团的形成机理和沉降特性对河口海岸细颗粒泥沙运动规律研究具有重要作用。为了从微观结构出发研究絮团运动机理，由扩散受限絮凝体聚集模型生成不同大小的分形絮团，引入格子Boltzmann方法模拟三维分形絮团的静水沉降，获得了絮团沉速的变化过程。比较格子Boltzmann算法模拟结果与采用盒子计数分维数的 Winterwerp絮团沉速公式，发现二者有较好的一致性，表明格子Boltzmann模拟方法可应用于河口海岸环境中的黏性泥沙运动研究。     

黏性泥沙絮凝研究进展

黏性泥沙颗粒的絮凝特性表现出与粗颗粒泥沙迥异的物理及输移特性,因此黏性泥沙絮凝是河流海洋泥沙理论研究中的热点之一。总结了黏性泥沙絮凝在试验研究和数学模型方面的研究成果,介绍了最新的相关研究进展,并分析了现有研究中存在的问题。认为目前存在的主要问题有:①有关黏性泥沙的试验研究以单因素影响试验为主,缺少多因素影响研究;②对泥沙絮团的三维结构形态研究不足;③相关数学模型只能描述定性规律。今后应在黏性泥沙相似准则、多因素影响试验、絮团微观结构观测仪器开发、大尺度三维絮凝数值模拟等方面加强研究。     

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。     

絮凝剂作用下黏性细沙絮凝沉降规律研究

细颗粒泥沙广泛分布于河流、水库、河口及海岸水体中,其絮凝沉降及输移规律是泥沙运动力学中一个重要课题。采用自制沉降实验装置,实验观测了不同絮凝剂浓度、不同浓度黏性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程,分析研究了黏性细沙絮凝沉降规律。结果表明：聚合氯化铝(PAC)絮凝剂比较稳定,PAC溶液浓度对不同泥沙浓度絮团沉速的影响均较小,最佳投放浓度可统一采用0.08 g/L。阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)絮凝剂对泥沙浓度的反应最为敏感,絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为3个稳定段和2个敏感段,稳定段CPAM最佳投放浓度分别为0.08、0.10和0.12 g/L,敏感段CPAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为2个稳定段和1个敏感段,稳定段APAM最佳投放浓度不随泥沙浓度的变化而变化,分别为0.08和0.10 g/L,敏感段APAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。絮凝剂APAM的絮凝效果最好,絮凝剂CPAM的絮凝效果次之,絮凝剂PAC的絮凝效果较差。     

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。     

溃坝水流作用下急弯河道泥沙输移数值模拟

将有限元特征分裂算法(CBS)应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟溃坝水流泥沙输移的数学模型。CBS算法在计算对流主导的问题时具有很好的稳定性与较高的精度,适用于处理溃坝水流流速大,水位、床面变化剧烈等问题。应用该模型对90°急弯河道全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与试验资料进行了比较,证实了该方法的可靠性。最后用该模型模拟了180°弯道中溃坝水流在缓坡、陡坡时的洪水演进与泥沙输移。结果表明:模型能够较好地模拟溃坝水流运动,模拟结果符合水流泥沙运动规律。     

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。     

长江口二维非均匀悬沙数值模拟

针对长江口水流泥沙运动的特点建立了非均匀悬沙的平面二维数值模型。在模型中考虑了波浪对流场的影响和对水流挟沙力的影响 ,在确定悬沙絮凝沉速时考虑了泥沙粒径、盐度、含沙量及水流紊动的影响。悬沙模型建立在曲线坐标下 ,悬沙输运方程采用破开算子的方法求解 ,平流项采用UltimateQuickest格式求解 ,提高了计算的精度。通过实测资料对数学模型计算的悬沙含量进行检验 ,表明它较好地反应了长江口地区泥沙的运动规律     

Measurements of the sediment flocculation characteristics in the Three Gorges Reservoir,Yangtze River

The flocculation of fine sediments in the Three Gorges Reservoir (TGR) was confirmed in previous studies, but the flocculation characteristics have yet to be fully clarified. In this study, field measurements were conducted in the TGR to investigate the sediment flocculation characteristics. First, the instantaneous flow velocity and sediment concentration were measured through Acoustic Doppler velocimeter and sediment sampling. Then, the effective settling velocity was calculated based on the sediment diffusion theory to deduce the floc size and flocculation degree. Finally, the influences of particle size, flow velocity, and sediment concentration on flocculation were analyzed. Results showed that flocculation occurred in more than half of the sediments in the TGR, and the maximum flocculation degree was between 10 and 30. Flocculation weakened as particle diameter increased, with the critical particle size being approximately 0.018 mm, meaning that flocculation was unlikely to occur when the particle size exceeded the critical value. As the flow velocity increased, the flocculation degree first increased and then decreased, with the critical flow velocity being approximately 0.7 m/s, but the critical flow velocity increased with an increase in sediment concentration and tended to be a constant. The flocculation degree also increased with increasing sediment concentration and tended to be constant when the sediment concentration exceeded approximately 0.5 kg/m³. The results provide new information on the flocculation characteristics of the TGR and should be useful for understanding and simulating fine sediment transport in the TGR.     

不均匀细颗粒泥沙粒径对絮凝的影响试验研究

对不同地区的天然沙对应天然水，及不同模型沙对应北京地区自来水的不均匀细颗粒泥沙进行了絮凝试验，并对试验资料进行了初步分析，提出了不均匀细颗粒泥沙的絮凝度Ｆ１与泥沙粒径的关系。     

SUSPENDED SEDIMENT TRANSPORT IN THE OFFSHORE NEAR YANGTZE ESTUARY

Based on the Estuarine, Coastal and Ocean Modeling System with Sediments （ECOMSED） model, a 3-D hydrodynamic-transport numerical model was established for the offshore area near the Yangtze Estuary in the East China Sea .The hydrodynamic module was driven by tide and wind. Sediment module included sediment resuspension, transport and deposition of cohesive and non-cohesive sediment. The settling of cohesive sediment in the water column was modeled as a fimction of aggregation （flocculation） and deposition. The numerical results were compared with observation data for August, 2006. It shows that the sediment concentration reduces gradually from the seashore to the offshore area. Numerical results of concentration time series in the observation stations show two peaks and two valleys, according with the observation data. It is mainly affected by tidal current. The suspended sediment concentration is related to the tidal current during a tidal cycle, and the maximum concentration appears 1 h-4 h after the current maximum velocity has reached.     

流量与含沙量相关性对输沙效率 影响的研究

从流量与含沙量的相关性出发,推导出当流量与含沙量呈正相关时,水沙过程的波动性会减少输沙用水量;通过实测资料分析,黄河下游天然河道中流量和含沙量是基本呈正相关的,而通过小浪底调水调沙人工塑造的水沙过程,流量与含沙量相关系数越大,输沙用水量越小,输沙效率的增幅越高。     

径流泥沙的成因分割估算模式

从降雨对径流的形成，坡面的侵蚀和泥沙的输移过程出发，将径流分割为地表径流及地下径流；     

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...