河道水流泥沙运动基本理论研究

河道水流泥沙运动基本理论研究

发表时间：2019-05-09T10:23:18.610Z 来源：《新材料.新装饰》2018年9月下作者：田子锐李京辉

[导读] 这篇文章是对于河道水流泥沙运动基本理论研究进行综述,并且做出了简单的分析，例如挟沙后的紊动强度变化应该考虑的是推移质颗粒或是悬移质颗粒等等

（哈尔滨工程大学，黑龙江省哈尔滨市 150000）

摘要：这篇文章是对于河道水流泥沙运动基本理论研究进行综述,并且做出了简单的分析，例如挟沙后的紊动强度变化应该考虑的是推移质颗粒或是悬移质颗粒等等，以上都利用了一些相关学者的研究成果进行说明，并且取得了丰硕的成果。

关键词：泥沙运动；流速分布；紊动强度

前言：

泥沙科学经历了几十年的积累，泥沙问题引起了学者们的广泛的关注，该篇文章对于水流流速分布，泥沙运动与紊流强度和猝发的关系等进行研究。因为这些公式的出现，使得泥沙问题得到了进一步的解决，但是要达到完全解决这个问题，还有很多困难需要去探索。一、水流流速分布的研究

要计算阻力，首先要知道水流流速分布，其中如果要分析挟沙水流。需要先分析清水水流。传统的水力学认为水流流速服从对数分布。曾有一个公式是在1993年被研究出来的，根据紊流卡门相似理论,使用不完全自相似假设,得出的公式是：

在这个公式中：u：距离壁面深度为y 处的速度；u*是指摩阻流速；Re是指雷诺数等，用这个相似理论分析了河道水流的流速分布情况的结构形式，从这个结果表明，不管是流速分布的指数型公式还是对数型公式都有很严格的理论基础，那就是相似理论。但是他们两者又是本质不同的两个类型的假设，那就是不完全自相似假设（反映了壁面效应）和完全自相似假设（忽略了壁面效应）。

在1981年Coleman利用Coles的尾流函数，当时提出挟沙水流流速分布应该遵循尾流定律。提出的公式是：

在这个公式中：卡门常数是用K来表示；尾流系数用W来表示，但是之后的很多研究都指出了其中的缺点，因此，在之后就得到了不断的完善和研究。例如Ferro等一些人利用了水槽实验来分析了断面流速分布等；Nezu等利用水槽实验来测量水位变动区表面的紊动参数，他们得出卡门常数仍为0.41，前提是在非恒定流下。这些学者在每一个研究的时候都利用了不一样的手段和技术，伴随着计算机科技的不断发展，基于上面的研究，以后一定会使得更多人们对于紊流难题进行深入的研究。

二、泥沙运动与紊流强度和猝发的关系

泥沙的存在对于紊流强度有很深的影响，针对这个影响，在我国还是有不同的观点，例如：王兆印等认为粗沙能够增强平均能量向着脉动能量转移的机会，具体是在清水中加入粗沙从而测试流场，结果发现平均流速减小但是紊动强度增加。但是如果沙子的颗粒较细，在水中悬挂着运动,就会吸收紊动能量，从而使得紊动强度减弱；在1950年开始，Kline等一些学家就利用氢气泡等对于紊流进行了许多的观察，这些紊流是处于平板边界层中，他们发现在一定的条件下，在壁面上面有几个小点会突然爆发，这些小点被叫做紊流斑点，然后紊流斑点会进入流动深处，这就是猝发，更加说明了泥沙的起悬与紊动猝发有很紧密的关系；Nikora等利用了ADV即超声多普勒测速仪，目的测量在准二维流场下，两种泥沙未起动。之后一种在弱动时的平均流速是沿着垂线分布等，但是有一个值得注意的点就是当弱动时，卡门常数在减少，这样的结果是和光滑流场时情况是不一样的。

目前情况来看，在研究紊动猝发和泥沙运动的关系时候，不管是近床面泥沙跟随性还是浓度都很难能够得到可以信任的定量结论。这个难题需要在之后不断的摸索中被解决。

三、河道阻力规律

对于河道阻力的问题进行研究,不仅是对于理论上面有很深的意义，并且对于实际的生产也有很大的意义。阻力的公式可以表现为：

在这个公式中：断面平均流速用u来表示，如果在已经知道流速分布的情况下，通过一些变化可以知道管道和明渠相应的阻力系数。因此肖勇等给出了关于阻力系数的表达形式,并且得到了验证，结果表明这个符合程度很好。在实际的工作中，河床阻力可以划分被河底阻力还有河岸阻力两种，河底阻力还可以分成沙粒阻力还有沙波阻力两种。Robert通过计算了平滩流量时候的两种河底阻力，得到了结论是以总阻力为总数1，但是沙波阻力占据了其中的0%～ 90%。这说明沙波的存在对于阻力有很大的影响，但是却没有具体的曲线；王兆印等在实验床面抗冲性时，提出了一个新概念，叫做“床面惯性”，他们认为“床面惯性”是一个特性，并且开始做出实验，他提出的公式为：

在这个公式中，水流的推移质挟沙力为gb，gbin是指进入河段的推移质输沙率，而河床冲刷率用dD/dt来表示。为了能够更加准确的数据说明，王兆印利用了100组的清水试验还有33组的挟沙水流来做出说明，得出的结论是床面惯性随泥沙的分选而增多。

四、水流挟沙能力规律

所谓水流挟沙能力是指在固定的水流泥沙和本河段河床为组成的条件下，单位的水体带来的泥沙的数量。在解决工程泥沙问题之前，

水流的挟沙能力规律是一个必须被解决和知道的问题。因为水流挟沙能力一直深受重视。张瑞瑾提出“制紊假说”来分析水流挟沙对于能量损失的影响，其提出的公式是：

这个公式受到广泛的应用，南方少沙河流的无潮汐影响段；例如余明辉等利用了“制紊假说”为基础，从能量平衡的角度出发，考虑到浑水相对粘滞性等一些因素，建立了非均匀沙分组水流挟沙力的公式。

结语：

近些年来，泥沙实验被不断的测验，伴随着水利工程和港口航道工程的不断发展，泥沙问题越来越被不断的重视，这些研究的出现为了学科发展提供了很好的机会。这篇文章主要是针对河道水流泥沙运动基本理论研究，结合之前出现的基本理论进行综合和说明，希望能够为之后的实践带来一些好处。

参考文献

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[5]余明辉，杨国录，刘高峰.非均匀水流挟沙力公式的初步研究[J].泥沙研究，2010.

[6]王士强，陈骥，惠遇甲.明槽水流的非均匀挟沙力研究[J].水利学报,2018.

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