水利工程論文-水沙流中的泥沙懸浮(Ⅰ).doc

水利工程論文-水沙流中的泥沙懸浮()摘要：近年來用于研究含沙水流中懸浮顆粒垂向濃度分布的理論已有很多。連續(xù)性假設雖然被證明在描述流體運動時非常成功，但卻不足以描述含沙水流中的離散固體顆粒運動。隨機模型能用于研究流動中單個顆粒的運動，但很難解釋固體顆粒之間相互作用的機制。本文對各種傳統(tǒng)理論進行了綜合分析和比較，對已有的典型顆粒濃度分布的一般性解釋進行了討論，并據(jù)此提出了今后研究的重點。關鍵詞：水沙流泥沙懸浮連續(xù)介質(zhì)理論懸浮顆粒垂向濃度分布被認為是研究含沙水流中顆粒運動特性的主要指標。這項有意義的研究以Rouse經(jīng)典理論的提出和隨后Vanoni的實驗研究為標志，并在此后取行了很大的進展1，2。許多學者提出了各種理論和公式。事實上含沙水流可以被看作一個兩相流系統(tǒng)，其中的液相和固相遵守基本的守恒定律，各相之間由相間耦合作用而聯(lián)系。固液兩相流系統(tǒng)可用宏觀或微觀的方法進行描述，如連續(xù)理論或動理論312。本文在已有工作的基礎上進一步對各種理論進行比較，并對已有泥沙濃度分布公式更廣泛的概括形式進行討論。1現(xiàn)有理論比較關于懸浮顆粒濃度垂線分布規(guī)律的研究已有很多。在眾多的理論和模型中，應用較廣泛的有擴散理論、混合理論、兩相流理論、隨機理論、動理學以及相似理論。擴散理論要求分散的顆粒對水流結構有較小的影響，這意味著該理論只適用于尺寸和比重較小的顆粒。擴散理論的運用一般基于質(zhì)量守恒和均勻紊流。假定水流紊動擴散作用和顆粒重力作用達到平衡，則可得到一個簡單的擴散方程1C+s(dC/dy)=0式中C為距離床面任意高度y處的懸浮顆粒濃度；為顆粒沉降速度；s為泥沙擴散系數(shù)，這里假設其等于清水紊流的動量交換系數(shù)?；谏鲜龇匠糖蠼獾玫降腞ouse公式(見表1)在應用上獲得了巨大的成功，以致于許多后繼的研究者認為在應用時僅僅需要對該理論進行簡單的修正或改進即可。由于假設擴散理論在低濃度含沙水流及細顆粒條件下是有效的，所以修正主要集中在兩個方面：一是對泥沙擴散系數(shù)s的修正；二是對懸浮指標Z=/u*或懸浮指標中的參數(shù)(如或)的修正。盡管一些研究者指出Rouse公式能通過對參數(shù)Z、s或的簡單線性修正而應用于更廣的范圍，但在一定范圍以外這種做法是有缺陷的314。理由如下：(1)由實測數(shù)據(jù)得不到s和沿整個垂線的線性關系(見圖1)；(2)Zm(實測懸浮指標)比Zc(計算懸浮指標)小的設想并不總是正確，圖2就是一個反例15；(3)認為值可變而對卡門常數(shù)進行修正的嘗試是不可靠的，因為事實上Coleman已發(fā)現(xiàn)(如圖3所示)是一個不變的常數(shù)16。實際上，任何在擴散理論框架內(nèi)進行的修正無非是尋找泥沙擴散系數(shù)的表達式。由于擴散理論沒有給出懸浮顆粒運動的動力學解釋，為了能更深入地探討懸浮顆粒的機理，許多學者致力于尋找更為普遍的理論。圖1實測s和的垂線分布2Verticaldistributionofsandfromthemeasureddata圖2Zm和Zc的關系15RelationofZmandZcfromthemeasureddata表1懸浮顆粒濃度垂線分布的代表性公式Representativeformulasforverticalsedimentdistribution序號作者公式說明1LaneKalinskeC/Ca=exp-6(0/u*)(y/H-a/H)為距床面距離a處的顆粒濃度2AnanianGarbashianC/Ca=exp-(y/H-a/H)/AAAA=(0.0017v2/gH)P-(1+KA)/(P-)3CaiC/Ca=(C1+y/H)/(C1+a/H)-C2C1=B/A，C2=(0/u*)/A4Velikanov=H(1-y/H)ln(1+y/)為床面當量糙率5KarimKennedy=1/(1+m)(1-y/H)(y/H)1-m6LaursenLinC/Ca=exp(1+1/m)/umaxf(Iy/H-Ia/H)7Laursen8TanakaSugimoto9Barenblatt10Hunt0.995B*111Rouse12Zagustin13ItakuraKish=f(/u*)混合理論假設流體和分散的懸浮固體顆?？煞謩e視為連續(xù)介質(zhì)17，18。盡管流體和固體顆粒具有不同的密度、速度和其它特征，但混合流中液相和固相的體積濃度可以很容易確定。具體做法是對兩相分別列出動量守恒方程，隨后將之疊加得到固液相混合的總體方程，以消除兩相相互影響的復雜項?；旌侠碚摷芙ㄓ趩我涣黧w模型的基礎之上，能克服擴散理論的部分缺陷并給出低濃度顆粒垂線分布的動力學機理。然而該理論在應用上存在的困難是如何確定混合流體的本構關系。McTigue采用Drew的方法，得到了一個對應于分層模式的運動方程17。然而，經(jīng)典的紊流擴散方程仍被用作一個描述雷諾平均紊流的模型，這意味著該理論不可避免地存在類似于擴散理論中存在的問題，即顆粒垂線分布的解決仍依賴于s的確定。兩相流理論在處理這一復雜過程時強調(diào)流體和懸浮顆粒間的相互作用19。固液兩相分別用一系列守恒方程進行描述，并以耦合項聯(lián)系兩相。方程的閉合依靠關于各相的本構關系模型、熱力學狀態(tài)方程或紊流附加方程和各相的描述。兩相的耦合有不同的方法，如從紊流單顆粒運動方程修正得到，或者用其它的閉合模型20，21。然而，由于數(shù)學上的困難，很難獲得方程的顯式解。而且，在目前的測量水平下各相間的差別和相互作用很難精確地測量。在研究粘性顆粒運動、非均勻顆粒運動或高濃度固液兩相流時會遇到更多的困難。隨機理論的建立基于紊動流體和顆粒運動都具有隨機特性的認識，它把流體中的懸浮顆粒運動看作是在液體表面到底壁之間范圍內(nèi)的隨機徘徊22，23。隨機理論的核心是確定顆粒在沿水深的垂線上任意高度和時刻向任意方向(如向上、向下或停留)運動的可能性，即概率密度。通常假定連續(xù)的隨機跳躍符合馬爾可夫過程。應用隨機理論的困難在于確定顆粒從一個高度跳到另一高度的空間和時間步長24。迄今，隨機理論的應用仍僅限于均勻紊流。大的步長不易滿足均勻紊流