(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 重慶 400074)

水流紊動(dòng)對泥沙絮凝影響的研究綜述

張凌越

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院重慶400074)

細(xì)沙絮凝規(guī)律的研究是一個(gè)復(fù)雜的問題，本文對紊動(dòng)作用對絮團(tuán)的沉降速度，絮團(tuán)的粒徑以及絮凝時(shí)間的影響三方面進(jìn)行了總結(jié)。經(jīng)過對國內(nèi)外專業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研，可以得出的大體結(jié)論是水體紊動(dòng)對絮凝起促進(jìn)作用，當(dāng)達(dá)到某一臨界值后，隨著紊動(dòng)強(qiáng)度的增加，水體的紊動(dòng)對絮凝起破壞作用。

紊動(dòng)；絮凝；粘性泥沙

在河口海岸環(huán)境中，粘性泥沙的絮凝造成航道淤積，阻礙航道內(nèi)船只的正常航行。因此對于細(xì)顆粒粘性泥沙絮凝規(guī)律的研究十分重要。絮團(tuán)是液體中的介質(zhì)在布朗運(yùn)動(dòng)、差速沉降、水流紊動(dòng)等條件下引起碰撞、接觸，使得一定比率的顆粒粘結(jié)在一起而形成的，這一過程稱之為絮凝[1][2]。影響泥沙絮凝的因素有很多，水流的紊動(dòng)作用是影響泥沙絮凝的重要因素[3]。本文對國內(nèi)外關(guān)于水流的紊動(dòng)作用對絮凝各方面的影響進(jìn)行回顧和總結(jié)。

一、紊動(dòng)對絮凝的影響

(一)紊動(dòng)對泥沙絮凝沉速的影響

早期工程設(shè)計(jì)中水流的攜沙能力一般采用泥沙的靜水沉速。顯然泥沙在紊動(dòng)水流中采用靜水沉降速度不合適，嚴(yán)鏡海[4]分析計(jì)算了對于潮汐水流紊動(dòng)作用下的泥沙沉速：[4]

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(2)

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J.C.Winterwerp[5]等通過拉格朗日模型，推導(dǎo)出在紊動(dòng)條件下絮凝沉速的啟發(fā)性公式：

(4)

其中h，t，c為沉積參數(shù)，絮團(tuán)的物理參數(shù)D0，m，nf；k2k3k4為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。m，nf可以單獨(dú)確定。該模型預(yù)測的結(jié)果和實(shí)際測量的結(jié)果的相對誤差在30%至50%之間，雖然誤差稍微有些大，但趨勢基本正確。

上述研究主要是宏觀上的模擬和研究；張金鳳[6]等人運(yùn)用LB方法建立三維數(shù)值模型，從微觀尺度模擬水流和泥沙的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在紊動(dòng)剪切率G=200s-1之前隨著紊動(dòng)剪切率的增加，沉速不斷地增加，而在紊動(dòng)剪切率G=200s-1之后，隨著紊動(dòng)剪切率的增加而減小。

(二)紊動(dòng)對泥沙絮凝時(shí)間的影響

張金鳳[6]等利用三維數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)3.75s時(shí)第一個(gè)絮團(tuán)形成，隨著紊動(dòng)剪切率不斷增加，形成絮團(tuán)的時(shí)間越短，同樣分界點(diǎn)為G=200s-1，當(dāng)超過了這個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，絮團(tuán)形成的時(shí)間變長，隨著紊動(dòng)作用的增強(qiáng)，絮團(tuán)個(gè)數(shù)減少，絮團(tuán)破裂。

柴朝暉[7]等利用matlab編程模擬細(xì)沙的絮凝過程，研究了不同紊動(dòng)強(qiáng)度下絮凝速度的變化規(guī)律和豎直方向上絮凝速度在空間上的變化。發(fā)現(xiàn)絮凝速度隨時(shí)間的變化規(guī)律可以分為加速階段，等速階段，減速階段；在等速階段絮團(tuán)個(gè)數(shù)隨著紊動(dòng)強(qiáng)度的增加先增加后減??；在紊動(dòng)強(qiáng)度比較小的時(shí)候，紊動(dòng)強(qiáng)度的增加促進(jìn)泥沙顆粒之間的碰撞，此時(shí)切應(yīng)力比較小，促進(jìn)絮凝，在紊動(dòng)強(qiáng)度不大的時(shí)候，等速階段絮凝時(shí)間稍微長一些；反之隨著紊動(dòng)作用的增強(qiáng)，絮團(tuán)開始破裂，更快進(jìn)入減速階段。其中紊流主要是在等速階段作用時(shí)間不同，影響粘性泥沙的絮凝過程[7]。

沿豎直方向上，將研究區(qū)域劃分成上、中、下三個(gè)區(qū)域。當(dāng)其他條件相同時(shí)，中部區(qū)域較早地進(jìn)入穩(wěn)定階段，下部區(qū)域與上部區(qū)域泥沙絮凝速度的情況基本相同。

(三)紊動(dòng)對絮團(tuán)粒徑的影響

喬光全等[8]利用格柵紊流實(shí)驗(yàn)對泥沙絮凝過程進(jìn)行了模擬。發(fā)現(xiàn)絮團(tuán)粒徑隨著紊動(dòng)強(qiáng)度的增大呈現(xiàn)先增大在減小的趨勢。同時(shí)他們還對比了淡水和鹽水中對絮團(tuán)粒徑的影響，即鹽度較大的水體中絮團(tuán)的粒徑比淡水中的絮團(tuán)粒徑要大。

同樣柴朝暉[7]對于絮團(tuán)粒徑的空間變化也做了研究和分析。下部區(qū)域：紊動(dòng)作用較小時(shí)，促進(jìn)絮團(tuán)生成，絮團(tuán)的平均粒徑隨著紊動(dòng)強(qiáng)度的增加而增加，但是隨著紊動(dòng)強(qiáng)度不斷增加，平均粒徑開始減小。絮凝過程中平均粒徑隨時(shí)間的變化過程也分為三個(gè)階段：加速增長階段，勻速增長階段，減速增長階段。主要考慮勻速增長階段，剛開始紊動(dòng)作用使泥沙顆粒發(fā)生碰撞發(fā)生粘結(jié)，紊動(dòng)切應(yīng)力對絮團(tuán)的破壞不太明顯，中部區(qū)域和上部區(qū)域絮團(tuán)的平均粒徑相差不大，水流縱向時(shí)均流速垂向分布呈指數(shù)分布，因此下部區(qū)域的流速比較小，中部及上部區(qū)域流速相差不大。隨著紊動(dòng)作用增強(qiáng)，相應(yīng)的對絮團(tuán)的破壞作用增強(qiáng)，中部區(qū)域的絮團(tuán)破壞較大，粒徑分布范圍較窄，故中部區(qū)域的絮團(tuán)的平均粒徑最小。最終穩(wěn)定后，中部區(qū)域的絮團(tuán)平均粒徑最小，上部區(qū)域的絮團(tuán)平均粒徑最大，下部區(qū)域絮團(tuán)的平均粒徑介于上部區(qū)域和中部區(qū)域之間。

二、結(jié)論

本文主要是對國內(nèi)外關(guān)于水流的紊動(dòng)作用對絮凝各方面的影響進(jìn)行回顧和總結(jié)。針對紊動(dòng)作用對絮團(tuán)的沉降速度，絮團(tuán)的粒徑以及絮凝時(shí)間三方面的影響進(jìn)行總結(jié)。迄今為止研究分析表明的水體紊動(dòng)對泥沙絮凝的影響基本一致的，即低紊動(dòng)促進(jìn)，高紊動(dòng)破壞。

[1]楊鐵笙，熊陽忠，詹秀玲，楊美卿.粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝研究概述[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào),2003,(2):65-77.

[2]張慶河，王殿志，趙子丹等.粘性泥沙絮凝研究評(píng)述(1):絮凝機(jī)理與絮團(tuán)特性[J].海洋通報(bào),2001,20(2):80-90.

[3]楊美卿,錢寧.紊動(dòng)對細(xì)泥沙漿液絮凝結(jié)構(gòu)的影響[J].水利學(xué)報(bào),1986,(8):21-30.

[4]嚴(yán)鏡海.潮汐水流中細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的初步探討[J].泥沙研究,1988,(4):10-22.

[5]Winterwerp J.C，Manning A.J，Martens C，et al.A heuristic formula for turbulence-induced flocculation of cohesive sediment[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science,2006,68(1/2):195-207.

[6]張金鳳，張慶河，喬光全.水體紊動(dòng)對黏性泥沙絮凝影響研究[J].水利學(xué)報(bào),2013,44(1):67-82.

[7]柴朝暉，楊國錄，余明輝等.紊流對粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝影響[J].水科學(xué)進(jìn)展,2012,23(6):808-814.

[8]喬光全，張金鳳，張慶河等.紊動(dòng)對黏性泥沙絮凝沉降印象的實(shí)驗(yàn)研究[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2014,47(9):811-816.