(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)
水流紊動對泥沙絮凝影響的研究綜述
張凌越
(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院重慶400074)
細(xì)沙絮凝規(guī)律的研究是一個復(fù)雜的問題,本文對紊動作用對絮團(tuán)的沉降速度,絮團(tuán)的粒徑以及絮凝時間的影響三方面進(jìn)行了總結(jié)。經(jīng)過對國內(nèi)外專業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研,可以得出的大體結(jié)論是水體紊動對絮凝起促進(jìn)作用,當(dāng)達(dá)到某一臨界值后,隨著紊動強(qiáng)度的增加,水體的紊動對絮凝起破壞作用。
紊動;絮凝;粘性泥沙
在河口海岸環(huán)境中,粘性泥沙的絮凝造成航道淤積,阻礙航道內(nèi)船只的正常航行。因此對于細(xì)顆粒粘性泥沙絮凝規(guī)律的研究十分重要。絮團(tuán)是液體中的介質(zhì)在布朗運(yùn)動、差速沉降、水流紊動等條件下引起碰撞、接觸,使得一定比率的顆粒粘結(jié)在一起而形成的,這一過程稱之為絮凝[1][2]。影響泥沙絮凝的因素有很多,水流的紊動作用是影響泥沙絮凝的重要因素[3]。本文對國內(nèi)外關(guān)于水流的紊動作用對絮凝各方面的影響進(jìn)行回顧和總結(jié)。
(一)紊動對泥沙絮凝沉速的影響
早期工程設(shè)計中水流的攜沙能力一般采用泥沙的靜水沉速。顯然泥沙在紊動水流中采用靜水沉降速度不合適,嚴(yán)鏡海[4]分析計算了對于潮汐水流紊動作用下的泥沙沉速:[4]
(1)
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J.C.Winterwerp[5]等通過拉格朗日模型,推導(dǎo)出在紊動條件下絮凝沉速的啟發(fā)性公式:
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其中h,t,c為沉積參數(shù),絮團(tuán)的物理參數(shù)D0,m,nf;k2k3k4為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。m,nf可以單獨(dú)確定。該模型預(yù)測的結(jié)果和實(shí)際測量的結(jié)果的相對誤差在30%至50%之間,雖然誤差稍微有些大,但趨勢基本正確。
上述研究主要是宏觀上的模擬和研究;張金鳳[6]等人運(yùn)用LB方法建立三維數(shù)值模型,從微觀尺度模擬水流和泥沙的運(yùn)動,發(fā)現(xiàn)在紊動剪切率G=200s-1之前隨著紊動剪切率的增加,沉速不斷地增加,而在紊動剪切率G=200s-1之后,隨著紊動剪切率的增加而減小。
(二)紊動對泥沙絮凝時間的影響
張金鳳[6]等利用三維數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)3.75s時第一個絮團(tuán)形成,隨著紊動剪切率不斷增加,形成絮團(tuán)的時間越短,同樣分界點(diǎn)為G=200s-1,當(dāng)超過了這個臨界點(diǎn)時,絮團(tuán)形成的時間變長,隨著紊動作用的增強(qiáng),絮團(tuán)個數(shù)減少,絮團(tuán)破裂。
柴朝暉[7]等利用matlab編程模擬細(xì)沙的絮凝過程,研究了不同紊動強(qiáng)度下絮凝速度的變化規(guī)律和豎直方向上絮凝速度在空間上的變化。發(fā)現(xiàn)絮凝速度隨時間的變化規(guī)律可以分為加速階段,等速階段,減速階段;在等速階段絮團(tuán)個數(shù)隨著紊動強(qiáng)度的增加先增加后減??;在紊動強(qiáng)度比較小的時候,紊動強(qiáng)度的增加促進(jìn)泥沙顆粒之間的碰撞,此時切應(yīng)力比較小,促進(jìn)絮凝,在紊動強(qiáng)度不大的時候,等速階段絮凝時間稍微長一些;反之隨著紊動作用的增強(qiáng),絮團(tuán)開始破裂,更快進(jìn)入減速階段。其中紊流主要是在等速階段作用時間不同,影響粘性泥沙的絮凝過程[7]。
沿豎直方向上,將研究區(qū)域劃分成上、中、下三個區(qū)域。當(dāng)其他條件相同時,中部區(qū)域較早地進(jìn)入穩(wěn)定階段,下部區(qū)域與上部區(qū)域泥沙絮凝速度的情況基本相同。
(三)紊動對絮團(tuán)粒徑的影響
喬光全等[8]利用格柵紊流實(shí)驗(yàn)對泥沙絮凝過程進(jìn)行了模擬。發(fā)現(xiàn)絮團(tuán)粒徑隨著紊動強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)先增大在減小的趨勢。同時他們還對比了淡水和鹽水中對絮團(tuán)粒徑的影響,即鹽度較大的水體中絮團(tuán)的粒徑比淡水中的絮團(tuán)粒徑要大。
同樣柴朝暉[7]對于絮團(tuán)粒徑的空間變化也做了研究和分析。下部區(qū)域:紊動作用較小時,促進(jìn)絮團(tuán)生成,絮團(tuán)的平均粒徑隨著紊動強(qiáng)度的增加而增加,但是隨著紊動強(qiáng)度不斷增加,平均粒徑開始減小。絮凝過程中平均粒徑隨時間的變化過程也分為三個階段:加速增長階段,勻速增長階段,減速增長階段。主要考慮勻速增長階段,剛開始紊動作用使泥沙顆粒發(fā)生碰撞發(fā)生粘結(jié),紊動切應(yīng)力對絮團(tuán)的破壞不太明顯,中部區(qū)域和上部區(qū)域絮團(tuán)的平均粒徑相差不大,水流縱向時均流速垂向分布呈指數(shù)分布,因此下部區(qū)域的流速比較小,中部及上部區(qū)域流速相差不大。隨著紊動作用增強(qiáng),相應(yīng)的對絮團(tuán)的破壞作用增強(qiáng),中部區(qū)域的絮團(tuán)破壞較大,粒徑分布范圍較窄,故中部區(qū)域的絮團(tuán)的平均粒徑最小。最終穩(wěn)定后,中部區(qū)域的絮團(tuán)平均粒徑最小,上部區(qū)域的絮團(tuán)平均粒徑最大,下部區(qū)域絮團(tuán)的平均粒徑介于上部區(qū)域和中部區(qū)域之間。
本文主要是對國內(nèi)外關(guān)于水流的紊動作用對絮凝各方面的影響進(jìn)行回顧和總結(jié)。針對紊動作用對絮團(tuán)的沉降速度,絮團(tuán)的粒徑以及絮凝時間三方面的影響進(jìn)行總結(jié)。迄今為止研究分析表明的水體紊動對泥沙絮凝的影響基本一致的,即低紊動促進(jìn),高紊動破壞。
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[3]楊美卿,錢寧.紊動對細(xì)泥沙漿液絮凝結(jié)構(gòu)的影響[J].水利學(xué)報,1986,(8):21-30.
[4]嚴(yán)鏡海.潮汐水流中細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的初步探討[J].泥沙研究,1988,(4):10-22.
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[7]柴朝暉,楊國錄,余明輝等.紊流對粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝影響[J].水科學(xué)進(jìn)展,2012,23(6):808-814.
[8]喬光全,張金鳳,張慶河等.紊動對黏性泥沙絮凝沉降印象的實(shí)驗(yàn)研究[J].天津大學(xué)學(xué)報,2014,47(9):811-816.