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1、中阁八辑辞学,年月第夕期,二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二之二二二二二二二二二二二二二二二二二竺二层移质运动规律的实验研究矛与王兆印钱丁水,北京清华大学水利系,北京利水电科学院泥沙研究所摘要,,高浓度水沙两相流当颗粒浓度超过一足极限后紊动消失进入层移质运动本,,阻力损失文通过用管道输退无粘性沙的试验对层移质运动的流速分布及离散力进行了初步探讨,,,用水槽进行高浓度水沙两相流试验发现当颗粒浓度超过一定值后紊动消失出现层流两相流有些研究工作者称这种两相流为颗粒流这种流动中颗粒的有效重力颗,粒重力与浮力之差不是由
2、紊动扩散作用而是由颗粒相互碰撞产生的离散力支持我们利用,可称矩形断面水平管道系统对这种流动进行了较细致的研究它为层移质运动层移质运动,,,中颗粒和颗粒颗粒和水体之间始终存在相对运动尽管在流动中颗粒均匀分布在流区内,,但当流动一停止颗粒可在重力作用下与水休迅速分离所以层移质运动是一种两相流·,,,贝应该指出在明渠流中只要作用在床面上的剪切力充分大床面以下一定深度内的无,即粘性沙也有可能作层移质运动本文研究的仅是层移质运动的特殊情况管道中整个水沙流都是层移质运动的极端情况一、试验、试验是在宽。高。的矩形断面水平管道中进
3、行的水沙混合体田马力泥浆,,用比压计泵驱动循环用冲水毕托管系统量测流速分布通过取样分析确定浓度分布量测压,,设降在透明观测段前注人染色剂观测染色剂的轨迹判断紊动强弱备和仪器的详细描述可参阅文献〔层移质运动的阻力随颗粒比重增大而迅速增大例如采用比重为斗的秦皇岛沙进行试脸,层夕移质运动阻力大到实验室动力不足以维持流动所以我们选用比重为的塑料沙来、,、,进行各种浓度流速条件下的层移质运动试验塑料沙白色半透明大较均匀粒径飞二,。。一,功清水中单颗粒沉速群体沉速服从经验式。一。。一,,,。,,,其甲是沙的体积比浓度找们共做了
4、组次试验从科到。断面平均流速。,,,从到实验表明当达到时低流速条件下就可以转化成层移质运动不文吕年少月厂日收到,二,匕书年今月日收到修改稿中国科学辑斗年图挟沙紊流图层移质运动。,,,巧二二,,,一,当超过时各种流速条件下都是层移质运动图和图分别是涩。。,搜,一和一一时的染色剂轨迹从图可以看出层移质运动,中已经不存在较大尺度大于粒径的量级的紊动旋涡固体颗粒只能成层地向前流动而没,有垂向交换这是因为密集排列的颗粒在运动中相互碰撞产生强大的离散剪切阻力遏止了,较大尺度的紊动我们往塑料沙层移质运动中加人少量同样大小的较重颗
5、粒发现它们分散,,在塑料沙中运动并不集中在管道下部而往水和塑料沙紊流中加人少量重颗粒时它们明显,地集中在管道下部运动这说明层移质运动中没有颗粒的垂向交换并且支持颗粒的离散力,,随运动颗粒的比重增大而增大轻重颗粒不分选而在悬移质运动中紊动扩散作用与颗粒比,重无关比重大的颗粒易于集中在底部,根据用一种类似于旋转粘度计那样的转筒装置和石腊球悬浮液进行试验的结果〔,提出了离散剪力和离散压力的经验公式高桥保等利用这个离散剪力公式求出了层移质运〔,,动颗粒流的流速分布,我们通过试验发现层移质运动中颗粒浓度在垂线上均匀分布,流速
6、分布既不同于两相紊流及一相层流也不符合按离散力公式导出的分布公式‘习,这是因为转筒试验与层移质运动的条件相差较远在本文中我们将从基本力学原,,理出发结合试验结果讨论二维层移质运动的基本规律、二层移质运动的物理图形,‘层移质运动中颗粒成层排列如图颗粒间的平均自由活动距离一般小于粒径的,一时,八例如还不到这样密集排列的颗粒群抑制了较大尺度紊动旋,,尸,涡的产生和发展所以宏观上显示层流特征在微观上颗粒比周围水体受到的重力大在,,向前流动的同时向下沉降将与具不同流速的下层颗粒碰撞从而获得向上的动量然后再与·⋯,上层颗粒碰撞
7、⋯由于碰撞时两颗粒速度差和碰撞接触点法向的随机性颗粒一边随颗云,粒层以时均流速沿流向运动一边在空间上随机脉动只不过由于颗粒在两次碰撞间沿垂,,,向运行的距离很小在宏观上显示不出来上下层颗粒发生碰撞时颗粒的一部分沿流向的平,均动能转化成了垂向脉动动能维持颗粒不断脉动,颗粒的碰撞使颗粒间产生了一种排斥力即离散力这种力使颗粒在运动中相互间保持,,一定的平均距离同时也大大增加了流动阻力离散力产生的原理可用图来说明设时第期王兆印等层移质运动规律的实验研究一八三应。,板图层移质运动的物理图形图任离散力的产生尸,,,刻颗粒在点以
8、速度相对于颗粒运动与碰撞后在时刻到达点速度变成了,’由于碰撞颗粒获得一个平均加速度,一’一,一,△△,显然必然有一个力作用于·一△△,△夕,,、,其中为颗粒质量分别为沿流向垂向的单位向量图中画出了△及其分量分,别对应和它的两个分力离散力就是两层颗粒相互碰撞在单位面积上产生的这种力之和,,丫,它的沿垂向的分力称为离散压力沿流向的分力称为离散剪力三、层移质运动中
