泥沙起动流速的随机分析.pdf

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1、泥沙研究2012年6月JournalofSedimentResearch第3期泥沙起动流速的随机分析李军华，江恩惠，郑邦民2，张杨。(1．黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州450003；2．武汉大学，湖北武汉4300723．华北水利水电学院，河南郑州450011)摘要：泥沙起动流速是河流泥沙动力学基本概念之一，对泥沙运动及河床冲淤变形研究有着重要意义。天然河流中的泥沙运动多处在紊流状态下，其影响因素极其复杂，具有显著的随机性。本文在总结前人研究成果的基础上，从流体力学层面论述了以作用于泥沙颗粒上的局部流速表示泥沙起动流速的

2、合理性，进一步拓展分析，指出了以往公式的不足，给出了以局部点流速表示的包括散粒体与粘性颗粒在内的全沙起动流速公式，继而与各家公式作了对比；基于随机理论，给出了泥沙普遍动、少量动、个别动的判据，并将均值流速概率化，扩展了泥沙颗粒起动的范围与认知。关键词：泥沙；起动流速；紊流；随机性；判据中图分类号：TV143．1文献标识码：A文章编号：0468—155X(2012)03-0015—061前言起动流速是泥沙运动学中基本概念之一，在水利工程中有广泛的应用。长期以来，众多的科技工作者从水力学角度人手得到了许多起动流速公式或临界拖曳力(切应力)公式，

3、然而这些起动流速公式大都以断面平均流速或垂线平均流速表示。H．A．Einstein提出，天然河流中的泥沙颗粒受到推力、阻力和升力的作用，当升力大于浮重时，泥沙起动；现代两相流动力学认为，泥沙颗粒受有三类、九种力的作用，抓住了泥沙起动的主要影响因素。目前泥沙界对作用于泥沙颗粒的推力和升力表达式为=c。0y(1)二g：=co。dy(2)二g式中d为颗粒的粒径；为水的容重；g为重力加速度；C。、C为推力及升力系数；o．、o。为垂直于水流方向及铅直方向的沙粒面积系数；“为作用于沙粒流层的有效瞬时流速。从式(2)中可以看出，该公式似乎仅能反映一种表象

4、；而且很容易给人一种误解，好像流速大处升力就大，实则不然，泥沙由河底上升到高流速区，升力反而会减小，这从泥沙跃起又降落的过程就可以说明。比重比水大的泥沙颗粒之所以可以从河底升起和顺流运动，其根本原因是受到拖曳力和升力的作用，而升力产生的内在机理是绕流不对称。在河底附近泥沙运动离开涡的运动(产生、变形、扩散、耗散等物理现象)是难以深入和揭示清楚的。紊流的实质就是涡体的运行。泥沙的起动有滚动、跃移、悬移，都是由紊动特性决定，有有序性的一收稿日期：2011-05·17基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项目资助(任务书编号：201101009)

5、；黄河水利科学研究院基本科研业务专项(编号HKY-JBYW-2010—16作者简介：李军华(1979一)，男，河南商丘人，高级工程师，主要从事河流泥沙研究。E-mail：lijuhuahky@126．cornl5面也有随机性的一面。本文将基于概率论分析泥沙的起动概率，并以均值把随机观点与以往确定性观点的分析结果联系起来，拓展对泥沙起动的认识。同时本文还将介绍通过适应于不同水深、比重、级配范围的泥沙起动流速数值计算应用程序，将各家公式作一系统对比，并与A．Shields曲线图加以比照，方便读者参考。2已有起动流速U的代表性公式1992年版的《

6、泥沙手册》。列出了9家颇具代表性的泥沙起动流速公式，分别是张瑞瑾公式、唐存本公式、杨志达公式和希尔兹公式、岗恰洛夫公式、列维公式、沙莫夫公式、耶鲁斯克公式、窦国仁公式。前三个考虑了泥沙颗粒间的粘结力，而后六个没有考虑；其中张瑞瑾公式、耶鲁斯克公式、唐存本公式采用的是指数形式，其余采用的是对数形式。另外，著名的沙玉清公式因量纲不和谐，暂不列于本文后续讨论之列。主要起动流速公式见图1所示。按照《泥沙手册》上的定义，泥沙起动流速指的是泥沙起动时的垂线平均流速，因此这几家公式的共同特点是：只为垂线平均值；U与粒径大小有关，d越大时，起动流速越大；与

7、泥沙比重／y有关，比重越大，起动流速越大。至于公式采用匪对数形式还是指数形式，只是由于时均流速采用指．全沙公式【B)，2。张瑞瑾公式，3．唐存本公式，I1二}国仁公式，5一沙玉清公式，6-宫式，7一shields公式Il一数式或对数式的差异。实际上，对数1一或二指二数时—s，gl一均)广qj流．1D一．F1速分布公式都是近似可用的，但也都不合乎天然河道复杂的边界条件。它不仅便于日益发展的大型数学模型计算，也更适合于天然河道有明显滩槽分布的复杂边界条件。3基于流体力学层面对起动流速公式的拓展与研究3．1基于流体力学层面对起动流速公式的拓展3．

8、1．1不考虑粘结力的起动流速公式流体力学着眼点在于流场(Flowfield)，因此应直接采用作用于泥沙颗粒上的局部(1oca1)点流速u或河道近底流速“表述U。在紊流中时均流速分