细颗粒含量对粗颗粒两相高含沙水流流动特性的影响

本文通过实验,研究了细颗粒(≤0.01mm)含量对粗颗粒两相高含沙水流流动特性的影响。对于纯粹由细颗粒组成的伪一相悬浮液来说,其流速分布具有典型的宾汉体流速分布的特点,存在明显的流核。管路固体输送中习惯采用的压差-流速关系,可以通过阻力系数-雷诺数关系加以理论上的阐明。对于粗颗粒两相高含沙水流来说,细颗粒的存在,大幅度降低了粗颗粒的沉速,使一部分推移质转化为悬移质,从而改变了水流的流动特性。具体表现为流速及含沙量分布趋于均匀化,阻力损失减小,但当细颗粒含量超过某一临界值以后,继续增大细颗粒含量将会使阻力损失回增,根据流动的宾汉体中粗颗粒泥沙的沉积随流速的变化,可以得出水流的紊动将会影响悬浮液的宾汉结构的推论。     

管道输沙的阻力

王可钦(清华大学水利系)讨论: 该文研究了管道水利输送中阻力损失的规律.为使问题研究的更加深入,提出以下问题进行讨论. 一、伪一相流的阻力特性 该文通过花泥悬浮液——伪一相流体的试验结果,点绘了λ～Re_1关系曲线,并分析认为伪一相流体若用有效粘度表示的雷诺数Re_1与阻力系数λ的关系,与清水水流的λ～Re_1关系曲线完全一致. 从图中看出浆体浓渡较低时,试验点与清水线比较一致,但当体积浓渡C=0.113及C=0.16时,试验点并不在清水线上,而是低于清水线.因此,该试验成果尚难以说明高浓度管道输送的阻力曲线λ～Re_1与清水线完全一致.     

粒径分布和细颗粒含量对两相管流水力特性的影响

本文着重讨论了粒径分布和细颗粒含量对两相管流阻力损失、粗颗粒挟沙力和极限浓度的影响问题以及高浓度两相管流的运动机理。试验表明,细颗粒在浆液中有两重不同的作用;一是减小粗颗粒沉速,使更多的泥沙从推移转向悬移运动;一是增大浆液粘性。由于这两重作用的相互制约,使浆液阻力损失的变化较为复杂。不过,对于一定粒径的颗粒,存在一个最佳级配和细颗粒最优含量,在这个最优条件下,浆液粘性最小,阻力损失最小,输沙能力最大。在本试验的具体条件下,这个最优细颗粒含量(重量比)约为4～6％,这时由细颗粒及清水所组成的均质浆液仍保持为牛顿体。文中引入了自由孔隙比的概念,并初步证实它是较好地反映浓度、粒径分布和一定矿物组成的细颗粒含量影响的综合参数。分析表明,主要以粗颗粒组成的浆液,即使在极限浓度情况下,也不是均质浆液,仍为两相流体。这种浆液的淤堵或出现“浆河”现象,与水力条件关系不大,而是取决于颗粒与颗粒之间的空隙是否能使它们继续保持流动。     

管道输沙Wasp阻力模型探讨

泥沙在管道中的运动状态随输送浓度和输送速度变化而变化.在不同输送浓度、输送速度条件下,如何确定泥沙颗粒中悬移质和推移质所占的份额是计算泥沙管道输送阻力损失的关键.在Wasp模型结构框架下,探讨了悬移质阻力计算方法及悬移质、推移质所占份额的计算方法,计算了细沙管道输送浆体的总阻力,并与实验结果进行了比较和分析.结果表明,由悬移质和水组成的两相载体的阻力,是构成细沙浆体总阻力的主要部分,对Wasp模型的预测效果有重要影响.     

固体管道水力输送摩阻损失的预测

管道固体水力输送中,固体颗粒的运动状态比较复杂。从泥沙运动角度考虑,管道输送中,悬移质和推移质同时存在而又难以分开。以往对于管道中的流态只笼统地分为均质流及非均质流,因此各种经验方法确定的管道阻力,不能很好地与实际相符。本文应用泥沙运动扩散理论,分析得出不同条件下管道中推移质占全部运动颗粒的比重与扩散指数的关系,对于缺乏细颗粒的两相管流初步建立了预测摩阻损失的物理模式。经实测资料验证,结果比较满意,从而在一定条件下可以免去繁复的管道模拟试验。     

高含沙水流中的粗颗粒泥沙运动

通过一组仔细安排的试验,研究了高含沙水流中粗颗粒泥沙的运动情况,并与清水作了对比,试验在宽0.3米、高0.2米的矩形断面管路中进行,底部铺厚约0.1米的塑料沙(比重1.29,等容直径0.345厘米)作为粗颗粒,清水或不同含沙量的浑水(具有显著宾汉体特性的膨润土悬浮液)流经这一松散河床。 试验表明:颗粒在浑水中下沉较慢,其沉降规律仍可用一般的C_D与Re_1关系描述,只是这里的Re_1是一个包含宾汉切应力在内的通用雷诺致。由于宾汉切应力的存在,颗粒在浑水中较不容易起动,推导的浑水中颗粒起动条件如式(20)所示。由于较不容易起动,浑水中粗颗粒的推移质输沙率比清水中要小,由于颗粒沉速减小,粗颗粒的悬移质输沙率比清水中要大。综合的结果,在低水力强度区,浑水中的总输沙率要比清水中为小;在高水力强度区,情况刚好相反。浑水中悬移质输沙率的增加有助于沙垄床面向平整发展,试验中观察到沙垄较低、外形较平缓,并在较低水力强度条件下转化为平整床面。相应地,浑水中的沙浪形状阻力也比清水中为小。     

双峰型非均匀沙粗细颗粒相互作用对推移质输移的影响

为研究粗细颗粒间相互作用对非均匀沙输移的影响,采用推移质动态采集、图像识别和多普勒测速技术,实现了瞬时输沙量、颗粒组成与近壁脉动流速的实时同步监测。针对双峰型非均匀沙进行了211组推移质系列水槽试验,分析表明:推移质输移量与粗沙拣选度的随机波动与紊动猝发引起的流速脉动具有响应关系;推移质中细粒基本保持持续输移,而粗粒输移则具阵发性,并遵循促发、触发与失怙3种模式;颗粒组成结构对3种模式的实施过程有重要影响;它制约着泥沙中细粒对粗粒的激励、碰撞和解怙强度,使得推移质总沙、细沙和粗沙输移率随床沙组成的改变各自呈现出不同的变化规律;水流强度一定时,随床沙粗细比的减小,输沙率呈驼峰型曲线变化;只有适宜的粗细颗粒搭配(ηc)才能使非均匀推移质输沙率达到峰值,且大于该床沙组成中任一均匀沙的输沙率。     

较细颗粒泥沙对较粗颗粒泥沙水流挟沙力的影响试验研究

1　研究现状关于在高含沙水流输送中细颗粒泥沙对粗颗粒泥沙水流挟沙力影响的研究,前人已做了大量工作。布鲁赫和卡赞斯基[1]曾做过管道输沙试验。结果表明:在输送0.3ｍｍ的粗颗粒泥沙的管路中,加入0.01ｍｍ的细颗粒泥沙可以使水头损失显著减少、水流粘性增大、粗沙输沙能力增大,同时紊动强度显著减弱。同样的结论能不能在明渠中实现呢?即细颗粒泥沙使粗颗粒泥沙水流挟沙力增大的事实能否在明渠中成立呢?日本学者吉川和福冈曾进行过专门的试验来研究细颗粒泥沙的存在对粗颗粒泥沙输沙的影响[2]。试验在8ｍ长、0.4ｍ宽的玻璃循环水槽内进行,…     

极细沙含量对粗沙输移能力影响研究综述

从泥沙颗粒级配和挟沙能力两个方面分析了极细沙含量对粗沙输移能力影响的研究成果,认为:①冲泻质与床沙质的分界粒径还有待于进一步研究;②关于极细颗粒泥沙对粗颗粒泥沙输移的影响程度、粗细颗粒泥沙的分组挟沙力计算、影响机理以及极细颗粒泥沙的絮凝问题还有待于继续探索;③细颗粒泥沙对粗沙输移能力的影响研究成果在黄河上的适用性有待商榷;④对细颗粒泥沙的黏性作用、粗颗粒泥沙的隐蔽作用和絮凝动力机制还有待于深入研究.     

三峡水库变动回水区河道推移质输移特性研究

通过对三峡库区有关的野外实测资料、模型试验和计算资料，分析了三峡水库变动回水区河道推移质输沙特性，三峡水库运行末期，变动回水区泥沙淤积物以沙质推移质为主，其中上段还有孵石推移质。从上游往下游，泥沙淤积物的颗粒逐渐变细，主槽的粒径组成粒粗，而边滩的粒径组成较细。随着水库运行年限的增长，主槽泥沙颗粒经历着粗化过程，而边滩却处于不断细化过程。主槽中原来淤积的细颗粒泥沙由于新淤积粗颗粒的保护和荫蔽作用，主槽的泥沙尽管粗化，水库运用后期的主槽淤积物仍有较细的泥沙颗粒存在，对于物模试验中放水过程对推移质输沙的影响、水库变动回水区所特有的碍航现象，以及修建向家坝和溪洛渡水利枢纽后变动回水区的推移质泥沙输移等问题，还有待在相性基础理论中进一步研究。     

推移质中的几个理论问题研究

研究推移质中泥沙起动的起动标准、颗粒在床面位置、细颗粒的成因起动等问题,非均匀沙输沙率规律中的研究内容、目前研究的三个方面、推移质不平衡输沙问题,卵石推移质移动速度问题,推悬比对推移质淤积的影响,悬移质向推移质的转化,卵石河床上沙质推移质估计以及沙质河床推移质估计等七个理论问题.     

图像处理技术在推移质运动颗粒参数提取中的应用

非均匀推移质颗粒运动规律一直是泥沙研究领域的难点,提取非均匀推移质颗粒的参数信息则是推进该难点研究的基础性工作。通过进行粗化床面非均匀沙水槽试验,拍摄了大量的泥沙颗粒运动视频,选取其中部分视频进行处理和研究:先通过图像转换软件将拍摄的视频转化为图片;然后利用图像处理技术对泥沙颗粒运动图像的空间变化特征进行识别,对转化后的图片进行畸形矫正和背景除噪;最后通过选取合理阈值将图片上泥沙颗粒提取出来,并计算泥沙颗粒粒径、体积等相关参数信息。研究成果可为获取推移质颗粒输沙运动基本信息提供基础,为非均匀推移质输沙机理研究提供更科学、完善、可靠的数据。     

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。     

水库下游冲刷的数值模拟—模型的构造

由于水库下游冲刷过程中悬移质与推移质、推移质与河床质、河床质与悬移质交换机理及床沙粗化机理的复杂性,使得研究水库下游冲刷数学模型的难度较大。 为了研究水库下游冲刷、河床演变问题及由此而引起的对防洪、航运等造成的影响,本文建立了一维全沙数学模型,模型考虑了非均匀悬移质不饱和输移、非均匀沙推移质输移及床沙级配的调整。文中考虑了冲刷过程中挟沙能力的沿程调整,挟沙能力包括以下三个方面,即悬移质中细颗粒部分从累计效果看不参予与床沙交换(冲泻质),这部分泥沙全部计入挟沙能力;悬移质的粗颗粒部分落淤到床面与床沙交换后部分地计入挟沙能力;床沙中可悬浮部分从床面冲起后部分地计入挟沙能力。非均匀沙推移质输沙率公式考虑了床沙运动的随机性及床沙粗化对输沙率的影响。床沙级配的调整采用CARICHAR混合层模型。对计算中经常遇到的关键性问题提出了处理方法。     

粗化床面非均匀沙推移质运动扩散特性研究

对泥沙颗粒运动规律的把握是准确估算推移质输沙率的基础.本文开展了粗化床面条件下的水槽试验,分析了非均匀沙颗粒的均方位移和速度自相关系数变化,并与已有均匀沙试验进行了对比.结果表明,粗化床面存在着由单个或多个粗颗粒组成的粗化结构体,形成比平整床面更复杂的底部边界,粗化结构体对泥沙颗粒运动造成较大影响,颗粒在运动过程中与水...     

输沙管道高含沙水流阻力特性探讨

根据对实测资料的分析,得出了输沙管道高含沙水流沿程和局部阻力系数的变化规律及确定方法,提出了管道综合泥沙因子和综合阻力系数的相关关系,同时指出细颗粒组成对高含沙水流的阻力特性有很大影响。分析表明:随着含沙量的增大,悬沙级配的粒径分布范围变宽,细颗粒在悬沙中所占比重减小,当细颗粒增加到一定程度时,单位体积水流可以挟带大量的粗颗粒泥沙;在输送高含沙水流时,应确定其最优细颗粒含量,以降低水流阻力,提高输沙效率。     

山区河流河床形态对推移质输沙率影响的试验研究

为探索山区卵砾石河流推移质运动受水流条件和河床形态的影响规律,开展了大比降浅水流动条件下卵砾石输移的室内水槽试验,获得了两组泥沙组成的19个流量条件下的水流、泥沙及河床三维地形场数据。结合室内水槽试验及文献中的天然河流输沙观测数据,分析了不同水沙输移阶段水流阻力、河床形态与推移质运动之间的关系。试验结果表明:河床阻力系数随着河床形态强度参数增大而增大,形态阻力与河床形态强度参数相关性更强。在泥沙补给充分阶段,推移质输沙率与床面阻力、形态阻力及河床形态强度参数均呈正相关关系;在泥沙补给不充分的水流冲刷阶段,推移质输沙率随河床形态强度参数增大而减小。     

非均匀推移质级配的实验研究

本文利用推移质自动连续测量装置,对宽级配非均匀推移质级配进行了室内实验。研究发现:对于非均匀系数Φ较大的卵石夹沙级配床沙,中等粒径颗粒比粗、细颗粒具有更大的可输移性,在推移质中占的比例较大。通过理论分析,提出了预报推移质级配的方法。     

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。     

颗粒非均匀性对推移质输移影响的试验研究

非均匀推移质运动是一个复杂的物理过程,输移量的确定、关键影响因子的辨识、内在作用机理的把握等基本规律的研究尚不充分。基于此,本文开展了系列精细水槽试验,结合高速摄像、图像识别技术,获取了非均匀推移质输移、颗粒拣选度变化等过程的动态监测数据。引入非均匀泥沙粗细比η,反映床面粗糙度、黏性底层与床面泥沙特性在内的综合水流强度函数Ψb,特征傅氏数Frb等参数,采用量纲分析与数值拟合相结合的方式,研究了不同粗细比的非均匀推移质输移规律。分析表明颗粒的非均匀性是影响推移质输移的关键因子,对粗颗粒输移量及全沙输移强度影响至关重要;推移质输移率与颗粒粗细比、水流强度呈紧密依存关系。