含沙水流的宾汉极限应力的计算公式

1922年美国学者宾汉(Bingham)提出了著名的流变方程——宾汉塑性流体流变方程(1)从而揭示了液体的一个重要流变特性。符合公式(1)的流体又称宾汉体,式中的τ_B称为宾汉极限应力(又称屈服应力),η称为刚性系数。宾汉体属于非牛顿流体。我国黄河的高含沙水流以及福建以北的淤泥质海岸、河口的浮泥运动大多属于宾汉体,或可以近似地看作宾汉体。因此,对于水利工作者来讲,研究水沙体系的流变特性具有重要的实际意义。极限应力τ_B是宾汉体中的重要特征值,在许多问题的研究中,都要涉及到它。而且,比起宾汉体的另一个特征值η来讲,τ_B的影响往往要大得很多。因此人们对此做了大量的试验研究工作。但由于影响流变特性的因素较多,也比较复杂,特别是对于水利工程中所遇到的高浓度水沙体系,其浓度范围广,粒径和级配变化大,各地水质和沙质又各不尽同,而这些基本因素对流变特性都会产生不同程度的影响。因此,泥沙浑水体系相对于极微     

黏性泥沙流变特性及其临界起动的研究

以天津大港淤泥质粉沙为研究对象,系统研究了其物理特性和临界起动性质。对密度范围在1.141~1.470g/cm3的黏性泥沙进行流变试验,确定其流变参数。结果表明:天津大港黏性泥沙有明显的屈服应力,适合用宾汉塑性体模型描述,且宾汉屈服应力和黏度系数均为泥沙密度的指数函数。长水槽中波浪作用下黏性泥沙起动试验以泥沙少量起动为标准,波浪底部临界切应力随黏性泥沙密度增大而增大,即不同于非黏性泥沙,黏性泥沙的起动主要与其密度有关,而非泥沙粒径。波浪作用下的黏性泥沙起动可以用延伸Shields曲线描述。根据实验结果拟合出临界起动切应力和宾汉屈服应力之间的关系式。     

流动浆液中宾汉剪切力变化规律^＊

河道中洪水高含沙水流和工业管道输送的高浓度浆体,多数属于宾汉型流体.宾汉剪切力大小对于高含沙水流或浆体的流动特性有很大影响.本文通过水槽试验,研究了流动浆液中宾汉剪切力随着水流的有效雷诺数的增加而减少的变化规律.在层流向紊流过渡时(有效雷诺数按2100计)宾汉剪切力约为静止条件下的60％.当有效雷诺数达到3.5×10~4时,宾汉剪切力接近为零,浆体可近似地按牛顿流体考虑.     

利用河流平衡理论检验推移质输沙函数的应用性

推移质输沙函数多根据试验资料建立,在实际应用中往往会给出相去甚远的预测,对河流平衡形态影响显著。本研究利用河流平衡理论检验推移质输移通式Φ=cb(τ0*-τ*c)β中各参数对河道平衡形态的影响,式中Φ为无量纲推移质输沙强度,τ0*为无量纲水流平均剪切应力,cb、τ*c和β为输沙参数,分别代表输沙系数、无量纲水流临界剪切力和输沙指数。引入河道过水断面的宽度与平均水深的比值作为表征断面形态的无量纲参数,基于变分原理的图形分析结果表明,输沙通式中指数β的选取是影响平衡河道形态的重要因素。结合长江中游监利河段河道形态实际观测数据,对比分析已有推移质输沙函数对河道平衡形态的定量影响,结果表明β=5/3时河流平衡理论具有很好的实际应用性。     

含盐淤泥的流变特性

在研究淤泥质河口、海岸的泥沙运动时,常会遇到没有固结的淤泥被卷入运动,因此,在港池、航道中产生了高浓度浑水的输移、沉积和冲刷。本文研究高浓度浑水的流变特性,着重分析含盐度和温度对流变参数的影响,得出流变参数的表达式,在此基础上,通过淤泥冲刷特性试验,建立了流变参数τ_B和起动摩阻流速μ*c的联系。利用流变研究成果,可估算港池、航道中由尚未固结向固结过渡的各种底床浓度(湿密度为1180～1350kg/m~3)淤泥的起动流速。此外,根据冲刷试验资料,应用含盐淤泥流变特性研究成果所提供的细颗粒泥沙的起动公式,对淤泥底床的冲刷率进行了验证,初步取得了良好的结果。     

床沙粒径及级配对非均匀沙起动的影响分析

对Wu W.等的荫暴系数计算方法进行了修正,根据滚动起动模型建立了以荫暴系数为主要参数的起动底流速公式,在此基础上理论探讨了暴露程度、床沙各分组泥沙粒径及其质量比对泥沙起动的影响,并论述了非均匀沙起动中完全暴露、完全荫蔽和极限跃移3种极限起动情况。结果表明:1非均匀沙起动底流速随着荫暴系数的增大而减小,荫暴系数越大,泥沙越容易起动;2在由两种粒径泥沙组成的非均匀沙中,粗颗粒的荫暴系数在定义域上均随着细颗粒床沙比例和粗细颗粒比例的增大而增大,即细颗粒比例越大,粗细颗粒间粒径差异越大,粗颗粒越容易起动;细颗粒的荫暴系数在定义域上随着细颗粒床沙比例的增大而增大、粗细颗粒比例的增大而减小,即细颗粒的比例愈大,细颗粒愈容易起动,且起动规律渐趋于和均匀沙的相仿,粗细颗粒粒径相差愈大,细颗粒受到的荫蔽作用愈显著,其起动流速也愈大。     

布金汉方程的代数解在流变参数测定中的应用

工农业生产实践中存在大量的以宾汉流体为主的非牛顿流体流动现象,由于用来量化描述宾汉体流变学特征的宾汉方程是一个比较复杂的微分方程,工业设计中流变参数极限切应力τβ、和刚度系数η的确定,大多数都通过毛细管黏度计用图解法获得。本文介绍了一种宾汉方程的代数解法,可准确给出宾汉极限切应力与毛细管中切变速率的数学表达式,以该数学表达式为依据,导出了极限切应力为零时经典的牛顿体泊谡叶方程。该代数解法所得到的数学表达式,可大幅度的减少传统的毛细管黏度计图解法试验测试工作量,对宾汉体流变参数的测定具有重要意义。     

李保如泥沙起动流速公式修正研究

现代水力学中近壁层流层厚度可反映边壁摩阻特性,是影响细颗粒泥沙起动的重要因素。李保如泥沙起动流速公式考虑到泥沙颗粒所处边界的水力学差异及近壁层流层对细颗粒泥沙的"隐蔽"影响,将细颗粒的摩擦系数f处理为近壁层流层厚度对细颗粒泥沙"隐蔽"作用的综合影响系数,但由于当时缺乏黏性细颗粒泥沙的试验资料,导致公式在黏性细颗粒泥沙起动流速的走向上表现不佳。本文仍采用原作者的物理图形,只是将摩擦系数f的函数由近壁层流层厚度对细颗粒泥沙"隐蔽"影响项与重力作用项两项组成,进一步将前者表示为"近壁层流层厚度δ与泥沙粒径D之比"即δ/D的指数形式,并在推导δ/D的表达式时直接用曼宁公式表示谢才系数C而引入糙率n,经过实测起动流速资料分别确定指数与系数后,即得出新的泥沙起动流速公式。利用大量实测资料验证表明,尽管不去考虑概念难以判明且难以定量描述的黏结力及附加下压力的复杂影响,且也不考虑流速沿水深的分布计算公式如何表达,但只要合理考虑近壁层流层厚度对细颗粒泥沙起动的影响,同样能够建立出同时适用于黏性及散粒体泥沙的起动流速公式。     

泥沙表面特性及其对磷吸附的影响

泥沙颗粒的表面特性是影响泥沙吸附污染物的重要因素之一.首先采用筛分和吸管法将混合泥沙分成了4个粒径组(粘粒和细粉沙组D1、中粗粉沙组D2、砂粒组D3和D4),并通过化学萃取法去除泥沙颗粒上的氧化物和有机物质等活性组分,而后研究了不同粒径清洗沙样的比表面积、孔体积变化及不同粒径下泥沙平衡吸附量的研究.结果表明泥沙的中值粒径与比表面积呈指数关系,当粒径减小到粘粒或细粉沙时,比表面积显著增大.在各个水相初始磷浓度下,泥沙对磷的平衡吸附量随着泥沙粒径的增大而减小,且存在最大吸附量.     

波浪作用下的泥沙起动

在探讨波浪作用而引起的泥沙输移时，首先应确定泥沙的起动条件。Madsen和Grant曾把单向水流Shields起动曲线推广到波浪作用下的泥沙起动中去。本文通过对单向水流作用下的泥沙起动希尔兹（Shiclds）曲线的分析，阐明波浪作用下泥沙起动与水流希尔兹（Shields）曲线产生误差的原因，由此提出波浪作用下泥沙起动Ψ_m～S_*曲线。大量实验资料表明:该曲线与实验值有着良好的一致性。     

含颗粒宾汉流体密相两相湍流的数值模拟

阐述了宾汉流体控制方程的特点，研究了宾汉流体屈服应力和塑性粘度的变化对两相流动的影响。随着屈服应力的增加，宾汉流体与颗粒相速度的主流速度减小。随着塑性粘度的增加，宾汉流体和颗粒相的主流速度分布出现了与屈服应力带来的影响的相反趋势。对带颗粒的宾汉流体的两相流流动与液固两相流流动做了比较，宾汉流体的两相流流动的两相速度比液固两相流流动的两相速度的分布平坦。     

非粘性颗粒悬浮液流变特性的相变及其渗流模型

本文提出非粘性颗粒悬浮液流变性质随颗粒体积浓度的变化过程中存在一个二阶相变。在假设颗粒为均匀圆球，且颗粒排列方式为简立方结构的简化条件下，利用三维简立方定向座渗流模型作为描述悬浮液宾汉极限剪切力产生的物理机制的简化物理图像，得到悬浮液流变性质相变体积浓度的理论值为0.173，这个值可以作为相变体积浓度的理论下限值。     

宾汉极限切应力的研究

本文对含沙高浓度流体的极限含沙浓度、刚度系数和宾汉极限切应力进行了理论和试验研究，得出了相应的计算式。各计算式均得到试验资料的验证，尤其是得到了轻质沙－电木粉试验资料的验证，且吻合良好。     

掺气挟沙对高速水流边界剪切力特性影响的分析

在高速水流循环系统中，用自行研制的剪切力传感器分别量测了清水、掺气水流及挟沙水流壁面上的剪切力；实验表明，含沙掺气高速水流壁面剪切力的脉动值的概率密度函数分布基本符合正态分布规律；文中根据实测资料，分析了剪切力的时均值和脉动值与水流速度的关系；讨论了掺气及含沙量对壁面边界剪切力的影响；在同一流速下，剪切力的时均值及脉动值随着含沙量的增加而略有增加，随着掺气浓度的增加而降低。     

离心叶轮内宾汉流体的密相两相湍流数值模拟

阐述了宾汉流体控制方程的特点,首先对单相的宾汉流体与密相液固两相流进行了计算,计算结果与实验数据吻合较好。其次对离心叶轮内的含颗粒的宾汉流体的两相流动进行了计算,从进口到出口,宾汉流体的速度是减小的,压力随半径增大逐渐升高,而且压力面上的压力大于吸力面上的压力。吸力面上的颗粒拟温度小于压力面上的颗粒拟温度,而且靠近壁面处的大于叶道中的。从减轻叶片磨损角度来讲,双圆弧型线比单圆弧的好,叶片出口角小的比出口角大的好。最后比较了液固两相流与含颗粒的宾汉流体的两相流的流动,颗粒拟温度有较大差别。     

水沙动力学适用牛顿流体的基本方程

通过改进蔡树棠两相流基本方程的相间阻力项,建立能够进行二维解析研究的水沙动力学基本方程.该研究给出沙相压力和沙相粘性切应力的学科定义,以及它们的本构关系.对于牛顿流体,当输沙稳定时,挟沙水流的能坡与清水并无差别.沙相压力的二阶导数不为零是泥沙扩散条件,也是凹岸冲、凸岸淤自然现象的力学本质.蔡树棠方程隐含着流体的粘性切应力按运动组成可以分解或叠加的物理性质.正是这个结构性特点,给了解答浑水粘性这个古老的力学难题的方法,使我们能够完整地推导出牛顿流体沙相运动学粘滞系数vs公式;推导并证明了浑水综合粘滞系数μm=εv+ svνs,而不是习惯使用的μm=v+svvs.探讨了影响vs值的一些复杂因素,如颗粒表面束缚水的影响.本文研究能够证明:对分散相应用连续介质原理不仅可行,且是遵从压力传递规律惟一的正确方法.而揭示粘性切应力的结构性,在多相流和流变学领域具有深远的意义.     

坡面薄层水流侵蚀试验研究及土壤抗冲性评价

通过室内冲刷试验，研究了坡面薄层水流的水力学参数特征及产沙变化，结果表明，粒径的雷诺数和弗汝得数都随放水流量而增大，但其流型和流态仍保持不变。径流流速，产沙率均随着流量的增大而呈幂函数增大，阻力系数则随着雷诺数的增大呈幂函数减小。分析薄层水流下理想坡面土壤颗粒的受力情况得出坡面产沙与径流剪切力关系的概念模型。结合试验数据，确定出模型参数的值，并得出试验土壤的临界切应力。     

非均匀沙分组起动规律的研究

本文在分析了非均匀沙起动情况后，采用输沙率法和分组相对输沙率法判别非均匀沙起动如果用其平均粒径d。来表示非均匀沙，则起动切应力和相同粒径的均匀沙近似，分组起动情况小颗粒由于受大颗粒的隐蔽作用鞍同等粒径的均匀沙需要较强的水流条件．相反大颗粒由于受暴露的影响比相同粒径的均匀沙容易起动．各粒径组的起动切应力可用公式(11)求出，     

黄土丘陵沟壑区坡面水保措施及植被对流域尺度水沙关系的影响

根据黄土高原高含沙水流的特点,认为次暴雨的产沙模数和径流深可用线性正比关系式来表示,关系式中比例系数表示流域单位径流深的输沙能力、次暴雨过程中流量超过临界值后的稳定含沙量以及流域历次洪水的平均含沙量。在此模型基础上,以黄土丘陵沟壑区的王家沟的两个毗邻地貌相似的两条沟为研究区,其中一条沟为经治理而另一条则未治理。探讨各种坡面水土保持措施及植被对流域水沙关系的影响。结果表明,治理流域和非治理流域具有相同的水沙关系,被治理沟的植被等坡面措施在流域尺度上仅通过减水来减沙。这主要是因为植被等坡面措施不能显著改变沟道的输沙能力,且由于植被不能很好地控制沟谷侵蚀和重力侵蚀,使得水流进入沟道后又会获取充足的泥沙补充,达到和治理前相同的径流输沙能力。因此可以认为,在仅有植被和其它坡面治理措施的情况下,治理流域的减沙率可用减水率来估计。本文的实际计算表明,在多年平均尺度、年际尺度和次暴雨尺度这一方法都有较好的精度。