基于耗散粒子动力学的剪切流中黏性沙絮凝机理研究

基于介观尺度下的耗散粒子动力学方法,建立了包含力场势函数的均匀各向同性紊流模型,对不同剪切率条件下黏性泥沙的絮凝过程及絮团形态进行了模拟计算。结果表明:随着剪切率的增大,体系中絮团初始出现的时间先急剧减小,后经短暂平稳过渡,又迅速增大,最后基本保持不变;水体剪切率较小时,非键能减小速度较快,随着剪切率进一步增大,非键能减小速度逐渐变缓,体系稳定性逐渐降低;当剪切率较小时,絮团形态更为致密,分形维数逐渐增大;随着剪切率的进一步增大,伴随有多个小絮团出现,分形维数逐渐减小,最终保持在1.12左右;在紊动剪切条件下,体系中絮团一直处于碰撞、絮凝、破碎的动态过程。     

高分子絮凝剂下泥沙絮体结构的分形特性

在黄河泥沙高浓度悬浊液中投加高分子絮凝剂,架桥絮凝沉降实验与电镜实验研究表明,絮体结构的形成与生长具有分形特性。借助分形数学理论中特征参数“分维D”定量分析了高分子种类、高分子的分子量、不同投加剂量与浓度下絮体结构的分形特性及其构型特征,讨论了高分子絮凝剂的架桥絮凝机理以及高分子絮凝剂在含沙高浊水中的分形行为,为含沙高浊水中高分子絮凝剂的正确选择提供了一种新的思路。     

黏性细颗粒泥沙絮凝发育时空过程的数值模拟

以Smoluchowski方程为基础,用数值模拟方法研究黏性细颗粒泥沙絮凝-沉降的时空过程。模拟设定泥沙最小基本颗粒粒径5μm,絮团分形维数1.78,模拟高度1.75 m,模拟总时长300 min,初始条件为各级泥沙颗粒-絮团浓度各向均匀分布,入口、出口无泥沙通量。模拟给出泥沙质量浓度、絮团平均粒径、絮团粒径分布等参数的时空变化过程。模拟发现:各个高度上泥沙质量浓度随时间变化的曲线均呈平缓衰减、快速下降与趋零三个阶段,其形状相似;位置越低,曲线的显现时间越滞后。絮团质量加权平均粒径随时间变化过程存在升涨-高峰-衰落三个阶段。碰撞效率系数越大,峰值越高;位置越低,峰现时间越滞后。本文还以泥沙质量浓度随时间变化为例,比较了数值模拟与絮凝试验的测量结果,二者基本一致。     

粘性细颗粒泥沙静水絮凝沉降生长的计算机模拟

利用分形生长模型对粘性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程进行了计算机模拟,在扩散受限的絮团聚集模型(DLCA模型)的基础上,初步研究了粘性细颗粒泥沙的絮凝沉降分形生长过程,并对最终的絮凝体进行了图像处理,得到了分形维数和颗粒浓度的关系。     

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。     

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。     

泥沙絮团结构的试验研究综述

承接《泥沙研究》2015(5)黏性泥沙絮团强度的试验综述,絮团结构与絮团强度密切相关,是动水条件下表现出的絮团强度的微观解释。絮团结构,即絮团内部链接键的数量、强度和链接方式。总结了以往絮凝试验研究中对于絮团结构的量化描述以及相应研究进展。     

黏性泥沙絮团强度的试验研究综述

絮凝是河口地区水沙交换过程中极为重要的一环,动水絮凝过程可概括为:颗粒碰撞—有效碰撞黏结—絮团重构—絮团破裂—絮团再形成,最终絮团达到动态平衡状态,这是絮团强度在紊动剪切作用下的结果。从絮团强度的试验研究角度回顾了国内外研究进展,此方面研究多围绕絮凝的影响因素与絮团强度的特征参数之间的定性规律、经验或半经验定量关系的角度展开,采用不同的观测装置、设备和技术,以期对絮凝动力学得到更为深入的认识。     

高浓度黏性泥沙絮团微观结构及其对沉降特性的影响

为探究絮团微观结构特征与高浓度黏性泥沙沉降特性间的关系,以高岭土沉降实验为基础,采用电镜扫描技术分析絮团结构,从絮团微观结构角度解释黏性泥沙沉降过程中浓度分布、胶凝点浓度等特性,结合实验数据讨论常见的孔隙形态参数。结果表明:絮团的微观结构与黏性泥沙的沉降特性密切相关,沉降过程中垂向浓度分布、胶凝点浓度等特性均可通过对絮团内部结构的分析得到合理解释;孔隙分形维数、孔隙圆度可作为量化评估孔隙结构的有效参数;由于孔隙的形态、数目、大小的差异,孔隙率的大小与孔隙分形维数、孔隙圆度的关联度不大。     

基于电解质浓度参数的泥沙沉速公式研究

电解质含量是影响黏性细沙絮凝现象及絮凝体清浑水交界面沉速的主要因素。基于黏性细沙沉降试验,引入Image-Pro Plus图像处理软件与MATLAB编程软件,采用自动定义阈值与盒计维数计算方法,得到了不同泥沙浓度及电解质浓度下的絮凝体孔隙率ε与分形维数D;结合吸附等温方程,建立了含有电解质浓度参数的黏性细沙絮凝体的沉速公式,并用实测沉速值对公式进行了验证,结果表明,计算值与实测值符合良好。     

PDMDAAC协同处理地表水絮体分形维数研究

试验分别选用聚合铁(PFS)与聚合铝(PAC)处理地表原水,以聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDMDAAC)为助凝剂,考察PDMDAAC助凝后絮体形态变化,絮体图像用显微摄像系统分析,计算絮凝体的分形维数。结果表明:在郑州市东风渠原水处理中,投加无机絮凝剂35 mg/L、PDMDAAC 1.0 mL/L,PDMDAAC助凝效果显著,浊度明显降低,絮体密实;协同PFS处理后絮体的一维分形维数由1.099 6增大到1.140 4,二维分形维数由1.520 9增大到1.544 3;协同PAC处理前后絮体的一维分形维数由1.038 0增大到1.046 8,二维分形维数由1.303 2增大到1.394 6;絮体大小和密实度可以从形态学方面进行量化,一维、二维分形维数均可以,二维分形维数更切合实际。     

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。     

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。     

黄河泥沙架桥絮凝聚集体的分形

处理含沙量在20～30kgm3以上的高浊度水,必须采用高分子絮凝剂进行固-液分离。在这些工艺中架桥絮凝是最常见的颗粒凝聚机理。然而,对有关架桥絮凝体的构造特性知之甚少。本文采用沉降技术并结合黄河泥沙架桥絮凝体的电镜照片,对絮体分形特征进行了研究。从沉降实验数据求得稳定态泥沙絮体质量分维D3=1930±005,这表明絮体具有高度多孔的分形构造。运用分维模型及图像处理技术得到的二维分维值D2证明,如果假定所有的泥沙絮体在层流范围沉降,则会低估了质量分维值。     

Image-pro plus软件在泥沙絮凝体结构特征分析中的应用

利用Image-pro plus图像处理软件,分析研究了絮凝体SEM图像,提取了絮凝体外形尺寸及絮凝体内孔隙直径、孔隙率、孔隙比等特征,分析了这些特征与泥沙浓度及絮凝剂浓度的关系。结果表明:采用Image-pro plus软件处理得到的絮凝体结构特征的变化规律与现有结论基本一致,絮凝体沉速随着絮凝体孔隙比的增大而减小,证明了Image-pro plus软件应用于分析絮凝体SEM图像的可行性。     

地貌形态特征分形信息维数与像元尺度关系研究

本文论述了用分形信息维数(兀D)表征流域地貌形态特征的原理和方法;建立了基于GIS平台流域地貌特征分形信息维数的计算模型;并利用Avenue语言开发了基于Arcview环境下流域地貌特征分形信息维数计算软件。以长江弹子溪小流域为例进行地貌分形信息维数的计算,依据计算数据就地貌形态特征分形信息维数与像元尺度关系进行了分析。结果表明：流域地貌分形信息维数可以较好地作为流域复杂地形地貌形态特征综合性、整体性和科学性的量化指标;像元尺度对地貌分形信息维数的无标度区间确定十分关键;跨流域地貌形态特征分形信息维数计算与评估应以统一像元尺度为前提。     

强化絮凝工艺中絮凝体特征参数分析与研究

通过对混凝反应过程中絮凝体特征参数,即粒径分布、平均粒径、分形维数的分析,进行强化絮凝网格与普通网格絮凝型式的比较,从而对絮凝过程中强化絮凝网格的微涡旋及动力学控制指标对絮凝体形成的影响给出定量描述,并以此为基础优化絮凝网格技术,改善混凝处理效果,实现1 NTU的沉后水浊度控制目标。     

黄河泥沙架桥絮凝体分形结构的动态演变研究

黄河泥沙架桥絮凝试验研究表明 ,剪切絮凝条件下泥沙絮凝体的最佳絮凝结构只能维持一段时间。在整个剪切絮凝过程中 ,泥沙絮凝体的分形结构从疏松多孔、开放的分枝状DLCA构造 ,逐步演变到密实的最佳RLCA构造后 ,又开始呈现疏松脆弱结构。絮凝体分维值上升至某一值后 ,又以微小的幅度下降。停止搅拌后 ,泥沙絮凝体粒径能在瞬间长大 ,但絮团结构脆弱稀疏 ,分维值低     

河床形态冲淤调整的分形度量

将河流动力学与数学中的分形理论相结合,以河床冲淤较为剧烈的三峡坝下游典型分汊河段为例,分析了河床表面分形维数（BSD）的变化及其与相应河段平面、纵剖面、横断面冲淤调整特点的关系。结果表明：BSD具有时空变异性,一方面不同类型河段BSD是不同的,其可在一定程度上反映河型,甚至河型亚类的差异;另一方面同一河段BSD随河床冲淤进程亦发生相应变化,其与河床形态调整存在着必然联系。同时,BSD值与典型剖面形态的复杂程度呈正相关性,可从整体上描述河床表面形态冲淤起伏的剧烈程度。BSD作为河床表面形态冲淤起伏程度的定量工具,其在河流动力学领域中的河势量化分析、河型判别及河道形态阻力计算等方面将具有一定的参考价值。     

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。