球体状泥沙纵向相对暴露度概率密度分布

泥沙颗粒相对暴露度反映了泥沙在床面上的相对位置,它不仅直接影响着泥沙颗粒受力大小及滚动起动力臂大小,还可以间接改变颗粒周围水流结构,进一步影响颗粒受力大小及滚动起动力臂大小。通过自行设计的试验装置,测量了均匀球体泥沙绝对纵向暴露度,分析计算了纵向相对暴露度及其分布规律。结果表明,纵向相对暴露度可分解为x和y两个独立分量,其对应的取值区间分别为1～4.5和-1.5～1.5,且分量概率密度近似服从正态分布;纵向相对暴露度取值区间介于3.5×3的方形面域,区域内各点的概率密度也近似服从正态分布。对纵向相对暴露度的指数分布与正态分布进行了比较,结果表明,正态分布形式更适用于描述纵向相对暴露度的概率分布,计算值与实测值之间的误差较小。     

床面泥沙位置特性试验研究——暴露角、纵向水平间距及相对暴露度概率密度分布

通过自行设计的试验装置,测量并分析了随机堆放条件下均匀玻璃球纵向水平间距、暴露角及其概率密度,推导了相对暴露度概率密度分布。结果表明,暴露角服从正态分布,取值范围为[0°,90°];纵向水平间距符合波形分布,与程年生的试验结果基本一致;在纵向水平间距取值介于[0,D]时,纵向间距、暴露角及相对暴露度之间存在着确定关系,三者概率密度函数可以相互转化。从暴露角正态分布公式推导出的纵向水平间距(取值0~D)概率密度分布曲线与实测值吻合良好;从暴露角正态分布公式推导出相对暴露度Δ'的取值范围为[0,0.5],概率密度分布服从正偏态分布。     

均匀泥沙相对暴露度的试验研究

以杨奉广建立的相对暴露度概念为基础,通过自行设计的试验装置,测量了均匀玻璃球的暴露角和河卵石的绝对暴露度,分析计算了其相对暴露度及其分布规律。结果表明,玻璃球相对暴露度取值范围介于0~0.5之间,暴露角呈正态分布,相对暴露度呈偏正态分布;在此基础上,利用实测资料对暴露角正态分布公式中的系数进行了率定,通过暴露角和相对暴露度概率密度函数转换,给出了相对暴露度概率密度函数;河卵石相对暴露度取值范围也介于0~0.5之间,相对暴露度呈偏正态分布,与本文公式的分布曲线不完全重合,说明河卵石复杂外形、粒径和形心的不同对其相对暴露度概率密度分布曲线的影响较大。     

球体泥沙暴露度分布规律及其应用

将泥沙颗粒简化为三维球体,通过理论分析计算,得到了泥沙自然堆积状态下的相对暴露度Δ'的取值范围为[0.091 8,0.5],暴露角θ的取值范围为[35.26°,90°]。在滚动起动模式条件下,将三维泥沙暴露度计算结果应用到泥沙起动流速的研究中,引入泥沙起动概率及中动起动标准,得到了相应起动标准的起动流速公式。通过河流实测流速资料及水槽试验资料验证表明,本文公式与实测数据符合较好,计算精度较高,可应用于计算实际河道中泥沙起动流速。     

泥沙起动流速研究

从泥沙起动的特点出发，将瞬时作用流速、起动标准、泥沙颗粒在床面的相对暴露度及附加质量力等影响因素同时引入到推移质泥沙起动中，使分析泥沙起动时考虑的因素更加全面。采用经典力学与统计理论相结合的方法，得到了泥沙起动无量刚切应力公式。并对公式中的系数进行了数值计算。结果表明，该系数并非为一个常数，而是在一定的范围内，且随床面上颗粒的相对暴露度而变。同时，还得到了概括散粒体和粘性细颗粒泥沙的统一的均匀沙起动流速公式的上、下限。说明其系数也是在一个区间取值。 关键词：泥沙；临界切应力；起动流速     

床面均匀沙拖曳力及上举力系数的确定

床面泥沙颗粒由于其相对暴露度及外形的不同,即使在同样水流条件下,颗粒附近的水流结构也不相同,进而影响到颗粒的受力不同,主要表现在颗粒拖曳力系数和上举力系数的不同。在白玉川提出的双向相对暴露度概念及拖曳力系数、上举力系数与纵向相对暴露度之间关系的基础上,分析发现,拖曳力系数介于1.00~1.22区间的概率大于92%,平均值为1.11;拖曳力系数与上举力系数比值平均值随沙粒雷诺数变化而变化,但在颗粒雷诺数大于25 000时,拖曳力系数与上举力系数比值平均值趋于常数1.28。将拖曳力系数和上举力系数引用到泥沙起动底流速公式中,得到了散粒体泥沙起动流速公式。实测资料验证表明,起动流速公式与实则资料吻合良好,间接地验证了提出的推移力系数值及上举力系数值是正确的。     

泥沙颗粒暴露度与等效粒径研究

回顾了对暴露度的研究现状及存在的问题。提出了一种定义暴露度的方法及其计算式，同时得到了计算暴露度Δ及暴露度系数ξ的表达式。经过分析，给出了ξ的取值范围为0～1，它随颗粒在床面的位置而变。同时提出了等效粒径的概念及其计算方法。并对不同粒径，在床面不同位置的暴露度、暴露度系数及等效粒径进行了计算。对非均匀沙，当相对暴露度系数一定时，大于平均粒径的泥沙颗粒的等效粒径较同等粒径均匀沙的等效粒径小，容易起动；小于平均粒径的颗粒较同等粒径均匀沙的等效粒径大，较难起动，等于平均粒径的颗粒与均匀沙等效粒径相当。经分析等效粒径是一种较符合实际的方法，且公式简单、使用方便。     

基于概率统计理论的泥沙起动流速研究

为充分考虑泥沙起动的随机性,基于相对暴露度概率密度分布,结合瞬时水流流速及床面泥沙颗粒排列的随机特性,并采用泥沙滚动起动模型,建立了适用于散粒体及黏性细沙统一起动流速公式。通过与实测资料及经典的泥沙起动公式比较发现,本文公式计算值与实测资料吻合更好,验证了该公式在预测散粒体及黏性细沙起动流速的可靠性和优越性。     

斜坡上均匀散粒体泥沙的起动流速研究

以泥沙相对暴露度为基础,采用理论推导方法,得到了斜坡上泥沙相对暴露度的均值。在此基础上,采用泥沙滚动起动模型,得到了斜坡上不同起动概率的泥沙起动流速公式。通过引入修正系数,得到了适用于不同起动概率及不同斜坡上均匀散粒体泥沙统一起动流速公式。通过与不同斜坡起动流速资料及现有的斜坡泥沙起动流速公式比较可知,本文公式与其他公式均具有较高的计算精度,均可用于天然河流泥沙起动流速估算。     

砾卵石起动临界条件

阐述了砾卵石均匀沙的运动机理,通过对附加质量力和床面颗粒相对暴露度参数的引入,推得了均匀沙起动无因次拖曳力公式,并对公式中的系数进行了计算。结果表明,在起动状态一定时,该系数并非为一个常量,而是介于某个区间,且随颗粒在床面上的相对暴露度的变化而变。通过转化推得了散粒体均匀沙起动流速公式,同时考虑了砾卵石扁度的影响,其系数同样不是一个常量,同学者们的公式相对照较为合理,该系数包含了其它公式的系数。结论部分可以解释为何不同的作者通过实验所拟合的系数各异,且差别较大,说明文中公式基本能反映均匀沙的起动特性。