泥沙沉降速度研究現(xiàn)狀

1、 水電1001班 201019040230 歐陽秘 泥沙沉降速度研究現(xiàn)狀摘 要：本文對現(xiàn)有泥沙沉降研究理論、實驗和觀測成果進行了總結(jié)，分析了目前泥沙沉降研究的進展，對泥沙沉降研究的發(fā)展趨勢進行了展望。對泥沙沉降速度及其影響因素進行了綜述, 討論了自由沉降和群體沉降速度的計算公式。關(guān)鍵詞：泥沙沉降；理論分析；影響因素; 速度指標; 計算公式一、泥沙沉降理論分析歷史泥沙在靜止的清水中等速下沉時的速度, 稱為泥沙的沉降速度( 或簡稱泥沙沉速) , 它是泥沙的重要水力特性之一。在各種沉淀池的設(shè)計計算和生產(chǎn)運用中, 在河流、渠道的各種泥沙問題中, 泥沙的沉降速度都是一個最重要的, 也是一個最基本的參數(shù)。

2、因此, 研究泥沙問題, 無論通過物理模擬(即模型試驗), 還是通過數(shù)值模擬, 均應提供可靠的泥沙沉降速度指標。1851 年，Stokes 對球體繞流的蠕變狀態(tài)進行了研究提出了球體繞流阻力系數(shù)的解析解，此解只適用于雷諾數(shù)小于1 的情況，應用于擬球體單顆粒泥沙靜水沉速規(guī)律的研究。Oseen 推導出的考慮流速影響的繞流狀態(tài)下的球體沉降解，其阻力系數(shù)公式將單顆粒靜水沉降規(guī)律理論解的應用范圍擴大到雷諾數(shù)小于 6 的情況。此后，Kaplun 和 Lagerstrom 與Prodman 和 Pearson幾乎同時發(fā)現(xiàn)球體繞流的高階近似解，但其解的阻力系數(shù)公式又回到了 Stokes 理論解的適用范圍。為解決大

3、雷諾數(shù)下單顆粒泥沙靜水沉降問題，許多學者提出了各自的計算模型。如沙玉清通過對沉速公式的數(shù)學轉(zhuǎn)換，根據(jù)實測資料利用最小二乘法獲得了過渡區(qū)的顆粒沉速公式；張瑞瑾基于阻力疊加原則，將 Stokes 型滯性阻力和 Newton型形狀阻力線性組合表示出繞流阻力，導出與 Rubey公式結(jié)構(gòu)一致的沉速公式；竇國仁采用 Oseen 型阻力和Newton 型阻力按阻力迭加原則獲得繞流阻力，通過引進與沙粒雷諾數(shù)有關(guān)的分離角求得兩種阻力的作用面積以反映兩者的相對大小，進而導出了半理論半經(jīng)驗的計算模式。但較完整的擬球體單顆粒泥沙靜水沉速規(guī)律仍需將球體繞流狀態(tài)下的的高階近似解作為數(shù)學基礎(chǔ)。二、單顆粒泥沙沉速泥沙顆粒在靜

4、水中下沉時, 它的運動狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù)Re=Wod/v 有關(guān), 此處M為清水的運動粘度, d 及Wo 分別為單顆粒泥沙的粒徑與沉速。當沙粒雷諾數(shù)Re < 0.5時, 泥沙顆?；旧涎劂U垂線下沉, 附近的水幾乎不發(fā)生紊亂現(xiàn)象, 這時的運動屬于層流狀態(tài), 渾液面沉速符合均勻沉降的特點。當沙粒雷諾數(shù)Re> 1000時, 泥沙顆粒脫離鉛垂線以極大的紊動狀態(tài)下沉, 附近的水產(chǎn)生強烈的繞動和渦動, 這時的運動屬于紊流狀態(tài), 渾液面沉速符合壓縮沉降的特點。當沙粒雷諾數(shù)0.5< Re <1000 時,泥沙顆粒的下沉處于過渡狀態(tài), 渾液面沉速符合過渡沉降變化的特點。表達單顆粒泥沙沉降速度

5、的公式是張瑞瑾從過渡區(qū)的動力平衡方程式出發(fā)而導出的 :式中s為泥沙容重, C為清水容重, c1 及c2 是按實測資料確定的無因次系數(shù)。參照各家資料, 用C1 = 131 95, C2 = 1109 代入( 1)式可得經(jīng)實測資料的驗證表明, 式( 2) 可以同時滿足層流區(qū)、紊流區(qū)及過渡區(qū)的要求。也就是說, 式( 2) 是表達泥沙沉降速度的通用公式。這是因為: 由層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的過渡不是突然完成, 而是逐漸完成的。由式( 2) 可以看出: 如溫度不變, 當粒徑增大時, 屬于滯性阻力作用的影響會逐漸減小, 并當粒徑d 趨于臨界值后, 滯性因素的作用可以忽略不計, 這時只有紊動阻力的因素起著決定作

6、用。當粒徑d 減小時, 兩種阻力的作用關(guān)系與上述情況正好相反。從而又可得到簡化的層流及紊流沉速公式:如果用C1 = 6, C2 = 2/ 3 代入式( 1) 可得到魯比沉速公式, 它適用于細顆粒泥沙( 此時公式的形式實際為Stokes 的球體沉速公式) , 而用于粗顆粒泥沙時, 所得沉速明顯偏小。三 泥沙群體沉速高濃度下粘性泥沙的沉降屬于群體沉降的性質(zhì)。關(guān)于群體沉降的沉速公式的研究, 從機理上大致可以分為兩類。一種是以Micliaels 和Bolger 為代表 采用修訂過的Richardson 型公式。Richardson曾從量綱分析入手, 根據(jù)高濃度的沉降阻力類似滲流阻力的物理圖案出發(fā),成功

7、地導得無粘性泥沙高含沙濃度對沉速影響的公式:式中w表示體積含沙濃度為Sv時的群體泥沙沉速; m 為指數(shù) ,據(jù)Richardson 等人的試驗研究, 在層流區(qū), m 取值為4165; 郭慕孫等人則認為m 為4191; 而錢寧等人在試驗中發(fā)現(xiàn)m 并非常數(shù), 而與雷諾數(shù)有關(guān), 且隨著雷諾數(shù)的提高而減少, 最小時為2125; 王兆印等人的試驗表明, m 為710 71 5。由此可見, m 值變化很大, 使得式( 5) 的應用受到很大的限制。 此外, 該式的結(jié)構(gòu)形式也存在著缺點。當Sv = 1 時, X 才達到零, 而事實上不不可能達到1, 因為當泥沙濃度接近其極限含沙濃度Svm = 014 0164

8、時, 顆粒與顆粒已經(jīng)直接接觸, 此時沉速已經(jīng)為零。這說明濃度越大, 群體沉降速度越大。而Richardson 通過一個修正系數(shù)B( 由粘性泥沙種類和結(jié)構(gòu)所決定) 來彌補式( 5) 形式上的不足,所得公式為:另一類以錢意穎、遲耀瑜為代表, 把群體沉速與清水中單個顆粒的沉速加以對比, 認為后者的減小主要是由于容重( 浮力) 、粘度( 阻力) 和對流( 阻力) 改變的結(jié)果:式中m 為渾水容重; m 為渾水的動力粘度四泥沙沉降研究的不足實際上變速運動普遍存在于泥沙的沉降運動中，如單顆粒靜水沉降的開始段，混合沙沉降的變速段和受阻段，天然沙沉降中的碰撞后沉降，波浪和潮流作用下的沉降等。然而從現(xiàn)有的文獻看，

9、對泥沙顆粒垂向變加速運動的研究卻較少涉及。蔡樹棠對均勻沙沉降加速段的歷時問題作過探討，認為泥沙沉速由 0 趨近 Stokes 定律下沉恒定速率的加速過程是比較緩慢的，該結(jié)論未被試驗資料肯定。一般認為泥沙沉速趨近恒定沉速是一個較快的過程，是按指數(shù)形式趨近的。沙玉清從牛頓定律出發(fā)得到了泥沙沉降的瞬時沉速公式，但其推導過程作了較多近似，對于所作近似是否影響到成果的精度，尚不得知。泥沙的沉降過程是一個連續(xù)過程，顆粒的沉降規(guī)律是一個有機整體，從滯性區(qū)向紊流區(qū)的過渡是逐漸完成的，不存在嚴格的流態(tài)分界及相應不同的沉降規(guī)律，這就需要各繞流區(qū)有統(tǒng)一的顆粒沉速公式目前這方面的研究還不夠充分。傳統(tǒng)公式只是近似的反映

10、特定繞流狀態(tài)下的沉降規(guī)律，計算起來相對繁瑣，應用不便，有的公式與實際有一定的出入。因此，建立一個能普遍適用于各繞流狀態(tài)的沉速公式是必要的。它應當是根據(jù)力學原理導出并經(jīng)過實測資料驗證的理論公式；公式表達曲線處處光滑，同一繞流區(qū)避免采用分段曲線；公式物理概念清晰，數(shù)學表達式盡可能簡單，選用合適的控制參數(shù)，以便于應用。影響因素影響泥沙沉速的因素很多, 如含沙量大到一定程度之后, 沉速計算公式必須考慮含沙量的影響。這種影響與泥沙粒徑的粗細關(guān)系甚大; 而對于d < 0101 mm 的細顆粒泥沙而言, 水質(zhì)對泥沙沉速的影響是不容忽視的。在此范圍內(nèi), 含沙量對沉速的影響, 是和水質(zhì)對沉速的影響結(jié)合在一

11、起而通過絮凝起作用的。由此可見, 絮凝作用也是影響泥沙沉速的重要因素。結(jié)語本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的泥沙沉降研究理論、實驗和觀測成果進行了分析總結(jié)，指出了現(xiàn)有研究的不足，對未來泥沙沉降研究的發(fā)展進行了展望。其中絮凝條件下細顆粒泥沙的沉降及其環(huán)境生態(tài)效應是有待于深入的一個重要方面。因為泥沙的絮凝會吸附水中的有毒物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，隨著泥沙的遷移，這些物質(zhì)隨時可能釋放出來，消耗溶解氧從而造成水體貧氧；營養(yǎng)物含量過高會引發(fā)赤潮和其它環(huán)境問題。隨著科學的發(fā)展進步和人類對環(huán)境要求的不斷提高，環(huán)境生態(tài)泥沙學將很快發(fā)展起來。泥沙沉速是泥沙的一個十分重要的特性。在許多情況下,它反映了泥沙在與水流相互作用時對機械運動的抗拒能力。組成河床的泥沙沉速越大, 則泥沙沉降的趨勢也越強。盡管泥沙沉速有這樣重要的意義, 但是關(guān)于泥沙沉速的試驗研究工作仍然進行得不夠充分。計算沉速的公式雖然不少,但不是精度不夠, 就是計算繁瑣。從實用觀點來看, 張瑞瑾公式可以同時滿足各流區(qū)的要求, 是表達泥沙沉速的可用公式。參考文獻 1武漢水利電力學院編. 河流動力學. 中國工業(yè)出版社, 1961.12 竇國仁.泥沙運動理論.第