《泥沙运动力学》读书报告

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课程名称泥沙运动力学

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专业港口海岸及近海工程

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第一部分泥沙的沉速

泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度, 称为泥沙的沉降速度( 或简称泥沙沉速) , 它是泥沙的重要水力特性之一。在各种沉淀池的设计计算和生产运用中, 在河流、渠道的各种泥沙问题中, 泥沙的沉降速度都是一个最重要的, 也是一个最基本的参数。因此, 研究泥沙问题, 无论通过物理模拟( 即模型试验) , 还是通过数值模拟, 均应提供可靠的泥沙沉降速度指标。泥沙在液体中的沉速是标志泥沙运动特征的一个重要物理量。在这一部分内容里，将采取由简入繁的方式，详细讨论泥沙的沉降规律以及影响泥沙沉速的各种因素。

对一个在无限静止水体中做等速沉降运动的孤立圆球做受力分析，圆球在静水中因受重力W的作用而下沉，在下沉的过程中，要受到水流的阻力F。球体的运动速度较小，重力大于阻力，圆球以加速度前进，球体所承受的阻力在行进中不断加大。当圆球在静水中的重力W等于受到的水流的阻力F，从而可以得到沉速公式。

泥沙颗粒在沉降过程中将会带动周围的水体，使水体也发生运动：①当雷诺数小于0.4时，泥沙下沉所引起的水体加速度的作用远小于水流黏滞性的作用，这时，水流的惯性力远小于黏滞力，可以忽略不计；②随着雷诺数的加大，水流的惯性渐趋重要，发生显著黏性变形的区域愈来愈局限于球体表面附近，水流也开始产生分离；③当雷诺数达到2x104时，球体表面边界层内的水流仍属于层流，随着雷诺数的进一步加大，到了个另一个临界状态，边界层内的流态也由层流转变为紊流，水流分离点忽然后移，分离区缩小，区内的压力增大。

含沙浓度对沉速的影响[1]：

①当一颗沙粒在沉降过程中，将会引起周围的水流也发生运动；

②泥沙在沉降中同时带动了周围的液体，液体也伴随向下运动；

③大量泥沙颗粒的存在将使浑水的密度加大，从而也使其中每个沙粒所受到的浮力加大，影响它的沉速。

紊动对沉速的影响：

①由于水流的脉动性质，使作用在沙粒上的外力不能经常保持平衡，再加以涡体的旋转作用，颗粒在沉降中不断打转，不能以最稳定的方位下沉；

②由于脉动流速的大小和方向都不断因时因地而改变，使沙粒在沉降中有时受到加速运动，有时又受到减速运动。

③水流中存在紊动，将使颗粒顶部的分离点位置以及颗粒表面的压力分布发生变化，从而使颗粒所承受的阻力减少或者增大。

20 世纪90年代, 曹如轩、钱善琪等人对高含沙浑水沉降特性及群体沉速的研究又有新的发展, 得出含沙量对粗颗粒泥沙沉速的影响规律。他们认为, 粗沙高含沙浑水的相对粘性随含沙量增大而增大的规律不及细沙高含沙浑水那样敏感, 但即使前者流型为牛顿体时, 相对粘性值也不低于2。因为粗沙高含沙浑水的粘土含量小, 粒径组成粗, 流型转换的临界含沙量大, 故泥沙的沉速可忽略非牛顿体的影响。此外, 增大含沙量, 也增加了泥沙的绕流阻力。当泥沙作群体沉降时, 由于粗颗粒泥沙相互碰撞以及粗沙与细沙悬浮质的碰撞, 等效于增大了颗粒在沉降方向的阻力, 使沉速减小。

影响泥沙沉速的因素很多, 如含沙量大到一定程度之后, 沉速计算公式必须考虑含沙量的影响。这种影响与泥沙粒径的粗细关系甚大; 而对于d < 0.01 mm 的细颗粒泥沙而言, 水质对泥沙沉速的影响是不容忽视的。在此范围内, 含沙量对沉速的影响, 是和水质对沉速的影响结合在一起而通过絮凝起作用的。由此可见, 絮凝作用也是影响泥沙沉速的重要因素。结合各家实测资料分析可得: 对于处在分散状态的粗颗粒泥沙, 由于不存在絮凝现象, 当含沙量从零开始逐渐增大时, 沉速将从清水单颗粒沉速开始, 逐渐减小。而对于可能发生絮凝现象的细颗粒泥沙则不然, 当含沙量从零开始逐渐增大时,沉速将从清水单颗粒沉速开始逐渐增大, 当沉速达到一个峰值之后, 则将随含沙量的增大而逐渐减小, 一直到小于清水单颗粒沉速之后, 还继续减小。沉速大于清水单颗粒沉速的阶段, 属于絮凝起主导作用的阶段; 而沉速小于清水单颗粒沉速的阶段, 属于其它几种因素起主导作用的阶段。含沙量的进一步增加, 絮凝结构将充分发展和迅速扩大, 最后形成一个整体絮凝体的下沉。此外, 向上的补偿水流将穿过絮凝结构中的极不规则缝隙曲折上行, 使阻力加大, 而沉速将进一步减小。这种情况的沉降特点为, 只要粒径差别不大, 沙粒将被絮凝结构网络在一起, 以同一速度下沉。这一阶段可被认为是絮凝再一次起主导作用的阶段。对于粗细颗粒的混合沙, 细颗粒的沉降规律和前面讲的基本一致; 粗颗粒的沉降规律和前面讲的略有不同。尽管粗颗粒本身在含沙量不是十分大时仍然处于分散状态, 但因是在细

颗粒构成的介质中下沉, 将间接受到浑水粘度的改变及絮凝结构的影响[3]。此外, 异重流对泥沙沉速的影响也是不可忽略的因素, 目

前, 在这方面的研究工作不够完善, 特别是在各种水处理沉淀池中出现的由于进水与池内水的温差或是浓度差所引起的异重流现象还有待进一步研究。

第二部分水流的紊动

泥沙运动与水流的紊动现象有密切关系。悬移质所以能抗拒重力作用，在垂线上保持一定分布，完全是水流紊动引起上下水团交换的结果。泥沙的起动和推移质运动也与水流紊动引起的床面附近流速、压力的脉动密切相关。

通过雷诺数大小来判断水流形态。雷诺数越小，表示黏性的稳定作用远过于惯性作用的破坏作用，水流属于层流范围；如果雷诺数越大，则进入紊流范围。当雷诺数小于2000左右时，水流属于层流；当雷诺数超过10000~12000时，水流进入紊流范围。

这部分内容还包括了猝发现象的历史回顾、观测结果及其形成和发展模式。

查阅相关水流紊动文献，在弯道紊动强度方面有以下成果[4-7]：

(1)紊流核心区内,弯道进口至弯顶段及弯道出口断面,纵、横向相对紊动强度沿垂线分布规律基本符合线性分布,仅不同断面处的斜率和截距有所不同,且由凸岸向凹岸其值逐渐增大;在弯顶至出口段,纵、横向相对紊动强度沿垂线的分布可视为曲线分布,由凸岸向凹岸其值逐渐减小。

(2)近壁处z/H<0.25,弯道纵、横向相对紊动强度沿垂向的变化率较大,在z/H=0.25处其值达到最大,在床面附近它们有明显的减小趋势.在核心区内,纵、横向相对紊动强度随z/H增大而单调减小,纵向相对紊动强度递减速度大于横向相对紊动强度的递减速度。

(3)垂向相对紊动强度始终小于纵、横向相对紊动强度,其值约为前者的一半,说明弯道水流的紊动是各项异性的,其沿水深符合瑞利分布。

第三部分沙波运动

泥沙的推移及悬移是对单个颗粒泥沙运动形式来说的。当泥沙输移时，推移质颗粒还在河床表面做各种不同形式的集体运动，使床面形态也随着输沙强度的不同而时时都有改变。这种泥沙颗粒在床面的集体运动成为沙波运动。