水流剪切对细颗粒泥沙絮凝作用实验研究的综述.pdf

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1、泥沙研究2010年8月JournalofSedimentReseareh第4期水流剪切对细颗粒泥沙絮凝作用实验研究的综述．朱中凡，赵明，杨铁笙(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084)摘要：综述了实验揭示的水流剪切条件与絮团特征参数(尺寸、分形维数)之间的关系，总结了同向絮凝的机理研究，并就絮凝实验研究过程中的一些问题提出了建议。关键词：水流剪切；泥沙；絮凝；实验；综述中图分类号：TV142文献标识码：B文章编号：0468—155X(2010)04~073—081引言在一定的物理和化学条件下，表面带有电荷的粘性细颗粒泥沙在三种原因(布朗运动、水流剪切

2、、差异沉降)引起的碰撞、接触中，由于微观短程力的作用会粘结形成大小、形态各异的絮团，甚至相互搭接成类凝胶网络结构(絮网)“。这一现象称为絮凝。其中由于水流剪切作用引起的絮凝有时也称同向絮凝。粘性细颗粒泥沙絮团和絮网结构的存在改变了水沙悬液的粘性和泥沙的沉降、起动、及输移特征。在河口海岸水域环境中，由于受径流、潮流、盐淡水交汇等诸多因素的影响，泥沙颗粒同向絮凝强烈，大量细颗泥沙絮团在近底处相互键结，进而形成高浓度的类凝胶网络结构，工程上称为混浊带或浮泥层。它容易形成拦门沙，妨碍正常的船只航运。因此在开展富含粘性细颗粒泥沙的航道、河口、水库、湖沼、海岸等工程研究中，絮凝发育研究

3、往往是其中的重点。影响泥沙絮凝作用的因素很多(如颗粒粒径、泥沙质量密度、泥沙浓度、电解质浓度、阳离子化合价、水温、水流剪切强度等)，想要单纯地研究水流剪切对絮凝作用的影响则必须保持其它影响因素在絮凝过程中始终不变。本文中的综述对象正是在这些因素保持恒定的情况下，实验揭示的水流剪切条件与絮团特征参数(尺寸、分形维数)之间的关系及其机理分析。2絮凝动力学实验研究2．1剪切絮凝过程中絮团粒径的变化2．1．1确定水流剪切条件下絮团粒径随时间的变化在恒定剪切条件下，水流中粘性细颗粒泥沙形成的絮团，其中值粒径d⋯会随着絮凝时间t的延续呈现出明显的阶段性变化规律，既先迅速增加，后缓慢增加

4、，最终达到稳定平衡状态。一个合理但尚未严格充分证实的解释是：絮凝初期，水流剪切对小粒径颗粒聚集的促进作用占主导地位，随着絮凝时间的增长，絮凝发育旺盛，产生越来越多的大絮团，絮团中值粒径迅速增大。这些大絮团结构松散，孔隙率高，易为水流剪切破坏，一定时间后，水流剪切对絮凝的抑制作用开始显现出来，中值粒径增大速率收稿日期：2008-06_09基金项目：国家自然科学基金资助项目(50679032)作者简介：朱中凡(1985一)，男，湖北荆州人，硕士，主要从事泥沙絮凝方面的研究。73变缓。对各级絮团而言，当形成速率和破坏速率相当时，絮团发育达到一个平衡状态，稳定的絮团级配分布出现，中

5、值粒径表现为常数。絮凝发育平衡状态的絮团粒径分布是絮团生长与破裂平衡的结果，与剪切过程和剪切环境有关。Schumann¨观察到当絮凝过程经历较长时间后，如果对粒径分布函数作某些变换。则随时间的增长其形状并不会发生变化。这种现象称为粒径分布的自相似(self—similarity)现象。Swift和Friedlander[15]对自相似粒径分布给出了如下表达式n()=j中(l＼4,1／I式中：凡()为t时刻级絮团的颗粒数量浓度；N为t时刻所有级别絮团的颗粒数量浓度总和；Vi为i絮团的体积；为初始时刻颗粒的数量浓度，为自相似粒径分布函数，随着絮凝时间的增长并不发生变化。Koh、

6、Spicer’在各自的实验中观察到了絮团粒径分布的自相似现象；而且，Coufort17]发现形成的絮团粒径分布为单峰形态，能用对数正态分布函数来表示。Biggs也发现稳定状态时的淤泥絮团颗粒粒径分布为对数正态分布，并且随着絮凝的进一步发育，粒径分布朝大粒径方向发展而且曲线形状变窄，实验进行50分钟后就不再随时间变化了。2．1．2不同水流剪切条件下絮团粒径的变化剪切强度的改变促使絮团粒径分布从一种稳态向另一种转变。考虑不同水流剪切条件对絮凝发育的影响，刻画絮团特征变化的参数为稳态时的絮团中值粒径d而描述水流剪切状况的参数为流速梯度G(或耗散率8、剪切强度r、流速u)。d与G呈

7、单一关系，表1归纳了实验揭示的一定初始颗粒浓度条件下絮团粒径与水流剪切强度之间的变化关系，各家实验尽管材料、剪切环境不同，但其结论都可以归纳为：随着G的增加，d，会减小或d⋯=cG(c、m为非负系数)。即随着剪切强度增加，絮团尺度会降低。这样当流速梯度为0时絮团粒径会趋于无穷大，这显然与试验结果矛盾。Colomer¨注意到Parker、Galil、Oles、Serra、Biggs和Lant等人的研究中平均流速梯度G都大于20s～，他着重研究了流速梯度G较小时絮团粒径的变化，对所有浓度的颗粒，G的增加使得颗粒絮凝加强