水沙流中的泥沙懸浮

水沙流中的泥沙懸?。↖I）摘要 本文探討了影響泥沙擴散系數(shù)的因素，討論了傳統(tǒng)理論在描述泥沙顆粒垂線分布時的不足，并指出了動理學在懸浮泥沙運動描述中的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞水沙流泥沙懸浮動理學在基于傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)假說的各種理論中，泥沙擴散系數(shù)的確定仍依靠半經(jīng)驗處理。然而，這種近似不足以給出令人滿意的物理解釋。例如，實驗結(jié)果表明［53?55］，顆粒的物理屬性（如顆粒直徑和密度等）都對顆粒擴散系數(shù)8S有明顯影響，但以前的理論都不能將這些影響直接地考慮在內(nèi)。顆粒物理屬性的影響經(jīng)常被含糊不清地歸結(jié)于不同的顆粒沉降速度。事實上，沉降速度的變化大多反映的是顆粒物理屬性對顆粒確定性運動的影響，而不是顆粒在紊流中的隨機運動。在研究一個協(xié)振圓柱系統(tǒng)中的顆粒垂線分布紊動影響時，Rouse發(fā)現(xiàn)當格柵振動頻率f相應(yīng)變化時，泥沙顆粒擴散系數(shù)￡s隨顆粒直徑變化［53］。顆粒直徑越大，泥沙顆粒擴散系數(shù)（見圖1）也就越大。Coleman從他的水槽實驗中也得到了同樣的結(jié)論［54］。所有這些結(jié)果表明，顆粒擴散過程或多或少地與紊動交換過程有所區(qū)別?？雌饋硭坪醺蟮念w粒對應(yīng)更大的沉降速度，并因此而有更大的擴散系數(shù)￡s。然而，后來更精確的測量并不支持這種觀點。用與Rouse相似的設(shè)備［53］，邵學軍發(fā)現(xiàn)［55］，雖然在紊動較強時，￡s隨粒徑增大而增大，但在紊動較弱時恰恰相反，￡s隨粒徑增大而減小。圖2和3的實驗結(jié)果表明，在顆粒物理屬性如何影響顆粒懸浮這個問題上也許存在更深刻的機理。例如，顆粒群的存在將影響整個紊流結(jié)構(gòu)，而不僅僅是單個顆粒的沉降速度。 建立顆粒群對紊流場影響的清晰圖畫依賴于對紊流自身的合理理解。紊動可以看成是許多具有不同特征頻率的微小擾動的疊加，或者是不同特征尺寸的渦漩的疊加。然而，不能期望所有的脈動（或頻率）都會影響顆粒的運動。換句話說，不同物理屬性的顆粒會影響不同頻率的渦漩。實際上，甚至在單相液流中，Philips也認為并不是在所有頻率范圍的率動都對雷諾應(yīng)力的產(chǎn)生有貢獻［56］。如果以雷諾應(yīng)力為例，則的大小取決于滿足沿平均流速方向的速度分量恰好與當?shù)仄骄俣纫恢聴l件的脈動。圖2顆粒擴散系數(shù)的變化［55］Variationofsedimentdiffusioncoefficient圖3顆粒擴散系數(shù)的變化［55］Variationofsedimentdiffusioncoefficient 對流體和顆粒脈動速度（v‘和vp‘）進行傅立葉轉(zhuǎn)換并定義顆粒和流體振幅間的比例，Hjelmfelt和Mockros發(fā)現(xiàn)顆粒只受具有較小特征頻率渦漩引起的隨機力的影響［57］。顆粒越大，它們響應(yīng)的頻率越小。Murphy和Aguirre以及Lee和Durst在分析紊流中顆粒的頻率響應(yīng)時也采用了同樣的方法［58,59］。從這些研究可以看出，顆粒僅響應(yīng)特征長度L大于或等于顆粒直徑的渦漩，也就是說，顆粒速度的特征頻率依賴于渦漩特征頻率的某一特殊部分。因此，前文（I）中公式（1）中的tm可以解釋為相應(yīng)于和顆粒具有相同尺寸D的渦漩的特征時間尺度，也就是特征頻率的倒數(shù)?？磥懋攩为氂懻擃w粒時，尺寸LVD的渦漩的作用可以忽略。因此，問題變成了怎樣把泥沙擴散系數(shù)ss和顆粒物理屬性關(guān)聯(lián)起來，這正是在以前的研究中最困難的也是被忽略了的方面。 為了解釋這種耦合和顆粒懸浮機制，Zhou和Ni在對基本的動量方程和連續(xù)方程進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上作了考察[60]。懸浮顆粒對紊流的影響被視為對具有相同深度的等價清水紊流的擾動，并用擾動分析對紊流和懸浮顆粒間的物理過程進行了定量描述，結(jié)果從運動方程直接獲得了顆粒垂線分布統(tǒng)一公式。對于一級擾動，液相和清水紊流一樣遵守雷諾方程；對二級擾動，可以得到一個支配濃度分布的運動方程，它是一級紊流影響的直接結(jié)果；并且在二級擾動時可以得到一個控制方程，用以描述濃度對平均速度剖面的影響。分析中擾動參數(shù)取為接近床面的參考層y=a處的體積濃度。由于分析中的一些泰勒級數(shù)展開只在aVyVH范圍內(nèi)有效，所有Zhou和Ni得到的結(jié)論都應(yīng)限制在此范圍之內(nèi)［60］。2兩種類型的垂線顆粒濃度分布實測資料表明，顆粒垂線分布最少有兩種模式（I型和II型），I型就是最常見的分布形式，顆粒濃度從流體表面的最小一直增加到床面的最大［61］；II型分布則顯示最大濃度值出現(xiàn)在床面的上方。盡管傳統(tǒng)的研究都集中在I型，但許多實驗測量都表明了II型分布形式的存在［62?67］。圖4和5列出了1型的一些分布形式。關(guān)于哪種模式是普遍的，哪種模式是測量錯誤引起的爭論看來已無必要。I型已經(jīng)被普遍接受，只是還有如下問題存在：（1）是什么原因引起含沙水流中存在1型或I型兩種分布形式?（2）怎樣描述1型的分布?一般說來，影響因素可能包括顆粒屬性、流體特征和邊界條件。困難是怎樣才能把所有這些