水利工程論文-粘性泥石流摻氣減阻作用初探.doc

水利工程論文-粘性泥石流摻氣減阻作用初探摘要：根據(jù)野外泥石流觀測資料，分析了泥石流摻氣與降粘減阻現(xiàn)象，建立了泥石流摻氣量與流速的經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)泥漿摻氣降粘減阻的試驗(yàn)，揭示了泥石流摻氣降粘減阻機(jī)理，提出了泥石流屈服應(yīng)力與氣體含量及固體濃度的經(jīng)驗(yàn)公式。本文對解釋泥石流減阻，預(yù)估泥石流流變特性有重要意義。關(guān)鍵詞：泥石流摻氣減阻1前言流體減阻問題自從Toms1，Kramer2先后發(fā)現(xiàn)高分子稀溶液或彈性材料護(hù)面都能實(shí)現(xiàn)粘性減阻以來，已經(jīng)近半個世紀(jì)了，由于工業(yè)生產(chǎn)中到處都存在粘性流體，而減阻技術(shù)又直接為節(jié)約能源、提高效率服務(wù)，因而倍受重視。近年來減阻研究取得了長足發(fā)展，在國際上已召開多次有關(guān)減阻學(xué)術(shù)會議，減阻已發(fā)展成一門專門獨(dú)立學(xué)科。除航空、航海外，管道輸送中開展了大量減阻研究，以及在石油管道中除加熱降粘減阻外，還開展了磁減阻、水環(huán)減阻3等，而高濃度高粘度固液兩相流體減阻，近年來也進(jìn)行了一定的實(shí)驗(yàn)研究。例如在煤的液化技術(shù)中，在水煤漿中加入有機(jī)添加劑減阻或摻氣減阻4；在封閉式采礦中對高濃度全尾礦砂邊壁加水減阻5等等。但對于含有粗顆粒，甚至塊石的組成更復(fù)雜的泥石流，這種自然形成的固液兩相流減阻現(xiàn)象研究的較少。泥石流作為一種高濃度的固、液混合的流變體，由于它暴發(fā)突然、來勢兇猛、破壞力強(qiáng)，嚴(yán)重地影響著山區(qū)的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了更好地解決泥石流災(zāi)害防治實(shí)踐中提出的問題，近半個世紀(jì)，對泥石流流變機(jī)理進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。對泥石流流變特性有了進(jìn)一步認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)粘性泥石流龍頭高速流動時可摻入一定量的氣體，摻氣后作為固、液、氣混合流變體，來探討其中的氣體對流變特性的影響，還很少進(jìn)行研究。本文主要介紹粘性泥石流摻氣減阻現(xiàn)場觀測的結(jié)果及減阻機(jī)理。2粘性泥石流的流變特性及減阻現(xiàn)象高濃度粘性泥石流由于受介質(zhì)和粗顆粒的碰撞及粘性摩擦力的控制和制約，固體物質(zhì)體積濃度大，致使它的流變特征、水力結(jié)構(gòu)特征要比高含沙水流復(fù)雜得多。根據(jù)蔣家溝泥石流的觀測試驗(yàn)資料可知，見表1。粘性泥石流在濃度基本一樣時，它們的平均屈服應(yīng)力卻有很大的差異，例如高粘性泥石流流體的屈服應(yīng)力是亞粘性泥石流流體的屈服應(yīng)力的7.2倍。根據(jù)屈服應(yīng)力定性的把泥石流分為高粘性、粘性和亞粘性三類，其分類依據(jù)是以有效屈服率(Bt/B0)，即泥石流體的屈服應(yīng)力值(Bt)與其漿體屈服應(yīng)力值(B0)之比來進(jìn)行分類的。高粘性泥石流屈服應(yīng)力值是其漿體屈服應(yīng)力值的3倍左右(=3.09)，而亞粘性泥石流體的屈服應(yīng)力為對應(yīng)漿體的0.77倍(5.4m/s)(3)表3觀測數(shù)據(jù)及點(diǎn)繪的圖1顯示，泥石流氣體含量與泥石流的流速成正比。亞粘性泥石流體中泥石流體的屈服應(yīng)力之所以小于對應(yīng)漿體的屈服應(yīng)力，是因?yàn)閬喺承阅嗍黧w中顆粒之間的有效孔隙較大，亞粘性泥石流體的結(jié)構(gòu)緊密率(CVt/CVw)為1.63，小于粘性和高粘性泥石流體的結(jié)構(gòu)緊密率(1.852.44)?；蛘哌€可采用另一種參數(shù)來反映，亞粘性泥石流的自由孔隙率(Fr)為0.143，大于粘性和高粘性泥石流的自由孔隙率(0.135，0.086)。上述CVt、CVw、VM分別代表泥石流體的固體體積濃度、流體體積濃度。4泥石流摻氣減阻機(jī)理初探4.1泥漿賓漢體摻氣減阻從以上的敘述看出泥石流摻氣減阻現(xiàn)象，其減阻規(guī)律，減阻的機(jī)理可借鑒其它方面的研究成果。例如水煤漿摻氣降粘減阻試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水煤漿在受剪切時，微小氣泡象滾軸一樣流動變形，大大地降低了水煤漿抗剪切能力，在同一水煤漿中，在一定范圍內(nèi)氣泡含量越多降粘越顯著，在氣體含量一樣時氣泡越細(xì)微，分布越均勻降粘效果越顯著，對于不同水煤漿，粘度越高的降粘減阻越明顯4。對于該問題鄒履泰8曾利用萊因河泥漿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，泥漿為賓漢體，摻入空氣作流變試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)隨著摻氣量的增大，B與呈指數(shù)減小，對于不同固體體積濃度其減小的趨勢不同。1995年對于該問題進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)用的泥漿呈賓漢體，先作不加氣的試驗(yàn)，進(jìn)而再加不同氣量進(jìn)行試驗(yàn)，共進(jìn)行了45個測次，每次測試用3種濃度每一種濃度用5種不同加氣量，分析選用不加氣泥漿，含氣量較小范圍泥漿的試驗(yàn)資料列于表49。由表4看出，在濃度CV相同時，不加氣時流變參數(shù)B0、呈最大值。隨著摻氣量的增加，流變參數(shù)B0、減小。根據(jù)表4的試驗(yàn)資料，進(jìn)行相關(guān)分析,則B0與CVg的相關(guān)關(guān)系分別為表4不同泥漿加氣降粘試驗(yàn)成果Experimentalresultfordifferentincreaseairconcentrationtoviscosityreduction濃度CV(%)含氣量CVg(%)B0(Pa)(PaS)430360.18643533.60.184431027.30.21848.50602.0648.55591.9848.510421.37555.705504.255.753634.355.7102682.8CV=0時B0=224204CV10.67當(dāng)CV=5%時B0=70640CV9.79(4)CV=10%時B0=41299CV8.94(4)式，其經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式中的系數(shù)A與指數(shù)B的變化規(guī)律，它隨著泥漿中氣體含量的增大而呈遞減趨勢。將A、B參數(shù)與CVg相關(guān)回歸得A=21477CVg-0.34B=8.251CVg-0.037(5)把上式(5)代入式(4)中變成單因子相關(guān)關(guān)系統(tǒng)一在一個經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式中，則為B0=21477CVg-0.34exp8.251CVg-0.037lnCV(6)該統(tǒng)計樣本盡管每組樣品的試驗(yàn)測次只有3個，但降粘減阻規(guī)律明顯。公式較好地反映了亞粘性泥石流高速流動流中空氣含量對屈服應(yīng)力的減阻作用；較客觀地解釋了在亞粘性泥石流中，由于空氣增多，流體的屈服應(yīng)力(B0)隨之減小，阻力系數(shù)減小，使流動速度加快；也較好地解釋了表1中泥石流漿體的組成中細(xì)顆粒含量差異不大，而屈服應(yīng)力卻相差1倍之多的原因。4.2泥石流流體摻氣減阻初探利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(3)對1983年在蔣家溝觀測到的亞粘性泥石流的流速，進(jìn)行泥石流體中氣體含量CVg推算，并利用泥石流固體體積濃度和其漿體固體體積濃度的相關(guān)性，進(jìn)一步計算泥石流漿體中氣體體積濃度(CVg)。然后，將計算得到的泥石流漿體的體積濃度(CV)和氣體體積濃度(CVg)分別代入式(6)，計算值亦列入表5，計算得到的數(shù)值B0明顯地低于實(shí)際觀測試驗(yàn)值(B0)。究其原因：主要是式(6)的經(jīng)驗(yàn)公式是泥漿賓漢體試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)公式，而蔣家溝泥石流漿體是由含有20%30%的粘性顆粒(0.05mm)和沙組成的泥沙漿體，故當(dāng)應(yīng)用于泥石流漿體時應(yīng)對式(6)進(jìn)行修正，即粘性顆粒對泥石流漿體屈服應(yīng)力的影響修正為B0=14.86P0.0521477CVg-0.34exp8.251CVg-0.037lnCV(7)表5云南東川蔣家溝泥石流漿體不同氣體含量流變參數(shù)試驗(yàn)值與計算值對照ComparisonofcomputedvalueandexperimentalvalueofrheologicalparameterfordebrisflowwithdifferentairconcentrationatJiangjiaGullyCVtCVfV(m/s)CVgtCVgfB0(Pa)B0(Pa)B0(Pa)00.5200.4012.800.063340.048733.5012.80737.28-0.11280.5700.38711.00.047940.036634.009.5313