无粘性非均匀沙起动规律探讨

本文对非均匀沙的起动机理进行了分析，在非均匀床沙暴露度变化规律研究的基础上，对无粘性非均匀沙的起动规律进行了探讨，提出了非均匀沙起动流速的计算公式。公式反映了粗细颗粒相互荫蔽与暴露作用及流速的脉动性对起动流速影响的内在机制。     

以公切角表征的非均匀沙起动流速

引入表征床沙位置的泥沙切点公切线与水平面的交角为参数，依据泥沙起动研究床面表层泥沙由静止到运动的临界条件的观点，确定了以公切角变化范围表征的泥沙起动判别条件，把非均匀沙的荫曝作用与其在床面位置和起动粒径相联系，以公切角表示起动力臂，按照指数流速公式形式，根据滚动平衡条件推导，建立了与床面位置相关的非均匀沙起动流速公式，给出了平均情况下相应于不同粒径的公切角计算式。利用13组，133次实验资料对公式进行了验证，证明公式具有较高的精度。     

无黏性非均匀沙起动条件对比研究

分析表明运用等效粒径概念进行非均匀沙起动条件计算是十分方便的。利用现有河流动力学的成果,通过一定的转换,获得了较有影响的八家非均匀沙起动公式的等效粒径表达式,研究发现尽管它们都能反映出较细颗粒受到荫蔽作用、较粗颗粒受到暴露作用的特性,但各家公式中区分泥沙颗粒受到荫蔽或暴露作用的特征粒径是不同的。分析了各家公式反映出的非均匀沙起动时的分选作用。运用长江万县站资料对比研究了各家等效粒径计算式,为长江万县段合理选用非均匀卵石起动条件提供了依据。     

非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程

天然河流中泥沙由非均匀颗粒组成，泥沙的非均匀性对于水沙运动和河床演变过程具有重要影响。然而目前非均匀悬移质泥沙研究中很少考虑不同粒径颗粒相互作用，颗粒相互作用对非均匀沙悬浮的贡献仍不明确。本文旨在建立非均匀悬移质泥沙弥散速度本构方程，其可反映非均匀泥沙悬浮的主要力学机制。首先，基于固液两相流理论，建立非均匀沙挟沙水流的两相流方程，充分考虑不同粒径颗粒相互作用力，并推导挟沙水流两相浑水方程以避免相间作用耦合复杂的问题。其次，为封闭两相浑水方程，引入弥散速度的概念，建立非均匀沙各粒径组弥散速度本构方程，揭示非均匀沙悬浮本质上是浑水紊动、颗粒自身作用、其他粒径颗粒作用三种作用共同影响的结果。最后，基于非均匀沙弥散速度本构方程得到非均匀悬移质泥沙的输沙方程，分析非均匀沙浓度垂线分布规律，将其应用于明渠恒定均匀流中，计算的非均匀沙浓度垂线分布与实验数据能较好地吻合。相对于均匀沙公式，在浓度相对较高、粒径差异大的条件下，非均匀沙公式的计算值与实验值符合得更好，进一步验证了非均匀沙弥散速度本构方程能够从力学本质上反映不同粒径颗粒相互作用对颗粒悬浮的影响机制。     

坡面非均匀沙起动规律研究

文章根据细颗粒泥沙起动特点 ,在坡面泥沙受力分析中 ,考虑了粘着力的作用 ,采用目前国内普遍使用的暴露度概念来反映非均匀沙的荫暴作用 ,将统计方法得到的暴露度引用到泥沙的起动公式中。采用滚动模式建立了坡面粘性非均匀泥沙的起动公式 ,并用试验资料进行了验证。通过试验资料验证的结果表明 ,在坡面粘性泥沙的起动中 ,考虑暴露度和粘性是合理的。     

粗化层试验与预报

从试验和理论角度对床面冲刷形成粗化层问题作了研究。基于冲刷粗化试验资料并结合非均匀沙分级起动公式确定了粗化层形成和完全破坏的临界水力条件。文中建立了以非均匀沙分级起动概率为核心可同时预报粗化层级配和冲刷深度的冲刷粗化多步随机模式,预报结果与粗化试验资料颇为一致。     

基于阻力特性的粗糙度计算方法

床面粗糙度Ks是沙粒阻力计算的重要因素，对流速分布、推移质运动及输沙率等问题的研究具有重要的意义。基于阻力特性，综合考虑水沙条件，建立了以泥沙中值粒径、非均匀系数、水力半径和床面坡度为变量的床面粗糙度计算公式。经实测资料验证，并与其他学者的计算方法进行均方差分析对比发现，基于非均匀沙的Ks计算方法的计算精度明显高于基于均匀沙的Ks计算方法；本文公式既适用于均匀沙粗糙度计算，也适用于非均匀沙粗糙度计算，且计算精度明显高于其他学者的计算精度；床面沙波及泥沙输移对公式计算精度的影响均较小，沙波的影响程度小于泥沙输移的影响程度。     

动床沙粒阻力计算的研究

沙粒阻力的计算是泥沙运动力学的重要问题,以往的研究大多是将沙粒阻力与床沙特征粒径联系在一起.泥沙在起动时其阻力即为沙粒阻力,因而可以利用泥沙的起动阻力来研究沙粒阻力的计算问题,这也是一种较为直接的方法.利用泥沙起动的Shields曲线与明渠阻力特性之间的相似性,结合实测泥沙起动资料给出了沙粒阻力的计算公式.该公式表示的沙粒阻力系数仅是能坡的函数,从而避免了采用相对水深时床沙代表粒径选择的困难.验证结果表明,本文提出的公式在计算精度上要优于现有的其它沙粒阻力的计算公式.     

斜坡上非均匀沙起动条件初探

在经典力学的基础上，以某一概率作为定量起动标准。考虑到床面颗粒的相互隐暴影响，引入了等效粒径来研究泥沙的起动条件。推导了斜面上非均匀沙的起动条件。计算得到了泥沙起动时临界无量纲切应力参数。采用实测资料对文中所得结论进行了验证，吻合较好。     

泥沙颗粒休止角与表层沙摩擦角研究进展

探讨了泥沙颗粒的休止角、天然坡角、表层沙摩擦角、内摩擦角和外摩擦角之间的联系与区别,评述了3种常用的泥沙颗粒休止角试验方法,归纳了影响泥沙颗粒休止角以及表层沙摩擦角的因素,探讨了分选系数η峰度系数K和偏度系数S对非均匀沙休止角的影响,基于泥沙起动概念推求了泥沙颗粒表层沙摩擦角与颗粒相对隐蔽度的函数关系,进而论证了表层沙摩擦角随底板粗糙度增加而增大,介绍了动水休止角与动态休止角的区别,最后对非均匀沙休止角和表层沙摩擦角的试验方法及其工程应用提出了展望。     

门座式起重机门腿变形不均匀时的塔身倾角计算

建立了门座式起重机门座的空间力学模型，分析了由于荷载作用位置的非对称性造成门腿变形的非均匀性从而引起的门座顶平面及塔身的倾斜，并给出了此倾角的计算方法及计算公式。这将为门座式起重机的合理、精确设计，提供有益的参考。     

斜坡上的推移质输沙率公式

为了获得理论更全面、应用范围更广的推移质输沙率公式,基于数理统计方法及力学分析方法,借鉴Engelund推移质输沙率模型,研究了斜坡上推移质输沙率问题。在分析斜坡上泥沙颗粒受力的基础上,考虑了水流近底作用流速的随机性及床面上泥沙颗粒分布的随机性,推导出了斜坡上泥沙起动概率;探讨改进了单位床面上泥沙颗粒数和推移质运动速度的计算式,得到了文中推移质输沙率公式。采用不同坡度的实测资料进行验证,并与其他经典公式计较,结果表明,在不同坡度的情况下文中公式都有较好的适用性,且精度较高。     

天然河道水面曲线的迭代算法

由于天然河流复杂水力特性 ,传统水面曲线计算存在诸多不足。本文从非均匀流能量方程入手 ,推演出了以水深为变量 ,成果精确且操作简便的水面曲线计算的迭代形式 ,进而对迭代收敛性进行了简要分析 ,结合算例定量比较了各类河段流量模数公式造成水面曲线成果的偏离情况     

利用PTV测量细颗粒泥沙粒径和沉速

细颗粒泥沙粒径和沉速的测量问题目前仍未完全解决,文章提出了一种基于PTV技术的细颗粒泥沙粒径和沉速测量方法。通过室内细颗粒泥沙非絮凝沉降试验研究,分析了图像二值化阈值对泥沙颗粒识别的影响,提出直接采用合适的阈值代替传统的最大类间方差法;根据泥沙颗粒级配以及图像分辨率和采样频率对颗粒匹配参数进行了设定;对粒径和沉速可基于stokes公式互相矫正以保证测量的准确性。总体来看,PTV技术测量细颗粒泥沙粒径和沉速可行,为后续细泥沙絮凝粒径和沉速的研究奠定了基础。     

明渠非恒定流推移质输沙试验研究

为研究明渠非恒定流输沙特性,本文建立了一套非恒定流流速、水深、流量及推移质输沙率测量系统。进行了9组恒定流输沙及3组非恒定流输沙试验,结果表明:恒定流条件下Einstein公式比Meyer-Peter公式具有更好的精度;非恒定流的推移质输沙强度与水流强度变化存在不同步的现象,长时间平均输沙率大于恒定流结果。