水力條件下顆粒粒徑對(duì)水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響

水力條件下顆粒粒徑對(duì)水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響

河流沉積物動(dòng)力學(xué)的基本問題之一是水流泥沙動(dòng)力學(xué)。根據(jù)波速實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，a.gore假設(shè)，湍流擾動(dòng)強(qiáng)度的影響與dap-le（le是流動(dòng)強(qiáng)度的特征長度，dp是長度）有關(guān)。它首次顯示了流量強(qiáng)度的變化對(duì)流量結(jié)構(gòu)的影響，其次是液體層的相互作用。而在明渠水流中,由于壁面存在,顆粒、流體以及壁面之間的相互作用顯然不同于射流。本文利用MicroADV,研究在不同水流強(qiáng)度下,明渠流中顆粒和水流結(jié)構(gòu)的相互作用。1顆粒細(xì)度對(duì)最佳粒徑的影響實(shí)驗(yàn)在長33m、寬深均為0.5m的活動(dòng)玻璃水槽進(jìn)行。流速采用Sontek公司的微型超聲多普勒三維測(cè)速儀(MicroADV)測(cè)量,MicroADV在低含沙水流條件下(小于10kg/m3),具有較高的精度和穩(wěn)定性。選取3種不同粒徑(0.125～0.2mm、0.065～0.09mm、<0.065mm)的天然沙(密度為2650kg/m3)代表粗顆粒、中等粒徑顆粒和細(xì)顆粒,分別在不同水流條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究相同顆粒在不同水流強(qiáng)度下對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響以及在相同或相近的水流條件下加入不同的顆粒后水流結(jié)構(gòu)的變化。實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1,對(duì)每一系列,先進(jìn)行清水實(shí)驗(yàn),然后逐漸加沙,如716系列,7161為清水實(shí)驗(yàn),7162、7163、7164濃度逐漸增大,在加沙的過程中,水位有1～2mm變化,水溫有1～5℃的變化,表中雷諾數(shù)均按初始清水水流計(jì)算,濃度范圍為加沙的最大濃度。2結(jié)果2.1文獻(xiàn)中的單沙內(nèi)容對(duì)等溫下水流細(xì)沙的影響在強(qiáng)水流條件下加入細(xì)顆粒泥沙,挾沙后主流區(qū)的流速分布與清水水流無明顯的變化(圖1,本文圖中y均為垂向水深),挾沙后的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度、垂向紊動(dòng)強(qiáng)度(圖2)也沒有明顯的變化;在中等強(qiáng)度水流中加入細(xì)沙,挾沙后的平均流速(圖3)明顯增大,速度梯度也增加,繼續(xù)增大泥沙濃度,速度卻沒有進(jìn)一步明顯變化;縱向紊動(dòng)強(qiáng)度(圖4)和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度在近壁區(qū)較清水無明顯的變化,在靠近主流區(qū)有一定的降低;在弱水流強(qiáng)度下加入細(xì)顆粒泥沙,挾沙后主流區(qū)的流速分布無明顯變化,近壁區(qū)水流速度降低,縱向紊動(dòng)強(qiáng)度和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度也都無明顯變化。2.2粗砂沿距和垂向的變化在強(qiáng)水流條件下加入粗顆粒泥沙,挾沙后的流速分布、縱向紊動(dòng)強(qiáng)度和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度都沒有明顯變化;在中等強(qiáng)度水流中加入粗沙,平均流速(圖5)明顯增大,縱向紊動(dòng)強(qiáng)度(圖6)沿整個(gè)水深都有一定的降低;垂向紊動(dòng)強(qiáng)度在近壁區(qū)無明顯變化,在主流區(qū)有明顯的降低;在弱水流強(qiáng)度下加入粗顆粒泥沙;挾沙后的流速?zèng)]有明顯變化,縱向紊動(dòng)強(qiáng)度和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度(圖7),較清水明顯增大。2.3中徑顆粒泥沙中縱向紊動(dòng)強(qiáng)度的變化在強(qiáng)水流條件下加入中徑顆粒泥沙,挾沙后的流速、縱向紊動(dòng)強(qiáng)度和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度都沒有明顯變化;在中等強(qiáng)度水流中加入中徑顆粒泥沙,挾沙后的平均流速明顯增大,速度梯度也增加;挾沙后的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度(圖8)和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度在近壁區(qū)無明顯變化,但在主流區(qū)明顯降低;在弱水流強(qiáng)度下加入中徑顆粒泥沙,挾沙后的流速分布、縱向紊動(dòng)強(qiáng)度和垂向紊動(dòng)強(qiáng)度都沒有明顯變化。3對(duì)水和沙兩相作用的再分析和討論3.1顆粒對(duì)流體流速的影響比較挾沙后近壁區(qū)流速的變化,速度變化用ΔU=Us-Uc(Uc為清水水流的流速,Us為相同位置挾沙后的流速)表示,ΔU>0表示挾沙后流速大于相同位置清水水流的流速(圖9),在強(qiáng)水流條件下和中等強(qiáng)度水流條件下,近壁區(qū)水流的流速隨顆粒的加入而增大,這與劉清泉、邱坤贊的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)一致。在近壁區(qū),由于顆粒與床面的相互碰撞,顆粒對(duì)流體起加速作用,而且濃度越大,速度的增加越大。但在較弱的水流條件下,顆粒不能隨水流充分懸浮時(shí),顆粒對(duì)水流的流速有一定阻礙作用,使近壁區(qū)水流流速降低,ΔU<0,即顆粒的加入使近壁區(qū)水流的速度減小,濃度越大,速度的減小也越明顯。由本文實(shí)驗(yàn)可以看出,顆粒粒徑對(duì)近壁區(qū)水流速度的影響并不明顯。3.2泥沙對(duì)流速分布的影響對(duì)于挾沙水流的垂線流速分布,目前主要有兩種模式:即變?chǔ)誓Ｊ胶虲oleman模式。前者認(rèn)為挾沙后流速在主流區(qū)符合對(duì)數(shù)規(guī)律,但κ隨濃度的增大而減小;后者認(rèn)為近壁區(qū)的卡門常數(shù)與濃度無關(guān),在主流區(qū)流速分布存在尾流函數(shù)的影響。在較弱和較強(qiáng)的水流條件下,在較低的濃度范圍內(nèi),挾沙后水流的流速分布不變,這樣可以認(rèn)為其流速分布符合變?chǔ)誓Ｊ?但κ與清水接近,也就是說:在較弱和較強(qiáng)的水流條件下,挾沙水流的流速分布與清水水流相比并無明顯的變化。夏震寰的資料表明,用極細(xì)的泥沙在重量比高達(dá)11%時(shí),流速仍遵循對(duì)速流速公式。在中等強(qiáng)度水流條件下,河床比降、流量小變,加沙后,挾沙水流的流速明顯大于相同條件的清水水流。Vanoni、Graf、王兆印等都觀測(cè)到類似的現(xiàn)象,M.Muster、Jim.Best采用與本文類似的實(shí)驗(yàn)步驟(保持比降和流量不變),也發(fā)現(xiàn)挾沙后水流平均速度增加。不難看出,在強(qiáng)、弱兩種水流條件下,加入粗、中、細(xì)三種顆粒的泥沙都不改變水流的平均流速,也就是說,挾沙水流的流速分布也和清水的完全一樣。在中等強(qiáng)度的水流條件下,加入泥沙,不論顆粒的粗細(xì),都在一定程度上改變水流的流速分布,流速與相同條件下的清水相比,流速增大,流速梯度也增大。即在一定水力條件下,挾沙水流攜帶泥沙運(yùn)動(dòng)時(shí),流速分布與水流自身的流動(dòng)強(qiáng)度有關(guān),而所攜帶顆粒粒徑大小對(duì)其沒有明顯影響。3.3粗、中、細(xì)分布特性的比較水流挾沙后紊動(dòng)強(qiáng)度的變化與顆粒粒徑的大小有關(guān),以前的實(shí)驗(yàn)基本都反映了細(xì)顆粒減小紊動(dòng)強(qiáng)度或不改變紊動(dòng)強(qiáng)度,粗顆粒增大紊動(dòng)強(qiáng)度。本文的實(shí)驗(yàn)也再次揭示了這種規(guī)律,如729組次,細(xì)顆粒的加入使縱垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度都降低(但在近壁區(qū)的變化并不很明顯),粗顆粒的加入(如830)使縱垂向的紊動(dòng)強(qiáng)度顯著增大。然而,紊動(dòng)強(qiáng)度的變化不僅和顆粒的粒徑有關(guān),而且與水流自身的制約因素息息相關(guān)。如細(xì)顆粒泥沙可以“制紊”,但在一定的水流條件下(強(qiáng)水流條件下如716、弱水流條件下如707)卻不改變水流紊動(dòng)強(qiáng)度;加入中徑顆粒對(duì)水流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響與細(xì)顆?；疽恢?在強(qiáng)、弱兩種水流條件下,水流紊動(dòng)強(qiáng)度基本不變;在中等強(qiáng)度水流條件下,中徑顆粒顯著地降低水流主流區(qū)的紊動(dòng)強(qiáng)度。粗顆粒泥沙在強(qiáng)水流條件下,基本不改變水流的紊動(dòng)強(qiáng)度。在中等強(qiáng)度水流條件下,降低其紊動(dòng)強(qiáng)度;在弱水流條件下,顯著地增大水流的紊動(dòng)強(qiáng)度?？梢娫诒疚膶?shí)驗(yàn)的中等強(qiáng)度水流條件下,粗、中、細(xì)三種顆粒都表現(xiàn)一定的“制紊”能力,但在強(qiáng)水流條件下,基本都不改變水流的紊動(dòng)結(jié)構(gòu),在弱水流條件下。粗顆粒增大紊動(dòng)強(qiáng)度,而中、細(xì)顆粒不改變其紊動(dòng)強(qiáng)度。3.4懸浮顆粒對(duì)紊動(dòng)的影響在保持比降、流量不變的條件下,挾沙后速度增大,這顯然是減阻現(xiàn)象。在本文的中等強(qiáng)度的水流條件實(shí)驗(yàn)中,紊動(dòng)強(qiáng)度變化與速度的變化與前人的實(shí)驗(yàn)基本一致,懸浮顆粒抑制了紊動(dòng)的發(fā)展,紊動(dòng)強(qiáng)度的降低導(dǎo)致能耗的減少,使相同條件下的水流流速增加。但在較低水流強(qiáng)度和高水流強(qiáng)度條件下,紊動(dòng)強(qiáng)度的變化與流速的關(guān)系并不明顯,進(jìn)一步的揭示能量耗散和紊動(dòng)強(qiáng)度的關(guān)系仍有待深入的實(shí)驗(yàn)研究。4顆粒對(duì)水流的紊動(dòng)強(qiáng)度的影響(1)泥沙顆粒對(duì)水流結(jié)構(gòu)影響的結(jié)果很大程度上取決于水流的水力條件,在本文實(shí)驗(yàn)的中等強(qiáng)度水流條件下,粗、中、細(xì)顆粒的加入都使挾沙水流流速增大,速度梯度也增大;在強(qiáng)、弱水流條件下,顆粒的加入基本不改變水流的流速分布,挾沙水流流速分布與清水的一致。(2)顆粒對(duì)水流紊動(dòng)強(qiáng)度的影響不僅與