单向流边界层泥沙起动规律-论文.pdf

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1、第24卷第6期水科学进展Vo1．24．No．62013年11月ADVANCESINWATERSCIENCENOV．，2013单向流边界层泥沙起动规律李寿千，陆永军，左利钦，黄伟昊，陆彦(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029)摘要：Shields曲线常用于表示泥沙起动的临界条件，基于边界层理论，对Shields曲线各个流区的线型进行了推证；考虑粘结力的作用，对Shields参数及Shields曲线进行了修正，并给出修正Shields曲线表达式；在此基础之上，从边界层角度重新阐述了Shields曲线。结果表明：Shields曲线在光滑紊流及层流区呈直线分布

2、，在过渡区与阻力系数线型保持一致，在粗糙紊流区呈水平直线分布；修正后Shields曲线与原始Shields曲线在形式上保持一致，修正Shields曲线表达式与实测数据吻合较好，适用于粗、细颗粒泥沙起动条件的计算；Shields曲线事实上代表了Shields参数与沙粒周围绕流流态的关系，同一颗粒处于不同流区起动时，其起动切应力不同。关键词：单向流；边界层；泥沙起动；Shields曲线中图分类号：TV142．1文献标志码：A文章编号：100I一6791(2013)06．0821—09泥沙起动问题是河流、海岸泥沙运动的基本问题，关系着泥沙的推移和悬移。早在1753年，Brahms就提出了泥沙起动流速

3、与泥沙重量的1／6成正比。19世纪末，人们开始从力学平衡的角度，来重新考虑这个问题。1936年，Shields把当时正流行的量纲分析法应用到泥沙运动中去，提出了著名的Shields曲线，该曲线至今仍被广泛应用。近年来，泥沙起动的研究主要集中于更符合天然实际的非均匀沙4。及粘性土的起动条件这两个方面，取得了丰硕的成果。对于单向流作用下的泥沙起动规律的研究，主要从泥沙颗粒的受力力学机理出发，据临界失稳条件，导出作用于沙粒的临界有效流速，进而通过水力学理论，将其转化为垂线平均流速或切应力的形式。起动公式主要有两种，一种以起动流速为表达形式，以沙莫夫(Shamov)公式和窦国仁公式为代表；另一种则以起

4、动切应力为表达形式，以Shields曲线为代表。其中，Shields曲线以其形式简单，物理意义明确，至今仍被广泛采用。原始Shields曲线是在无黏性泥沙受力平衡的力学理论基础上，通过拟合实测数据而来。推导在未区分床面不同水力光滑度情况下采用了同一流速公式，亦未考虑颗粒黏性。事实上，泥沙起动临界条件显然与近底处颗粒的绕流状态有关。本文拟以边界绕流理论为基础，针对各种绕流状态的特点，对Shields曲线进行讨论，并将其拓展至细颗粒泥沙情形。1Shields曲线的力学基础及其存在的问题1．1Shields曲线的力学基础1936年Shields即推导出泥沙起动Shields方程。首先从作用在床面泥沙

5、颗粒力的平衡出发，推导出近底处有效流速。的计算公式：2=收稿日期：2012—12—31；网络出版时间：2013-09—12网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／32．1309．P．20130912．1140．011．html基金项目：周家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB417002)；国家自然科学基金资助NSFC．NOW项目(中荷)(51061130546)作者简介：李寿干(1986一)，男，江苏徐州人，博士研究生，主要从事泥沙及河流海岸动力学研究。E—mail：lishouqiansh@163．COB通信作者：陆永军，E—mai

6、l：yjlu@nhri．an822水科学进展第24卷式中d为泥沙粒径；u。为作用于颗粒的有效流速，取Y=Kd处的流速，K为常数；、y分别为沙粒及水的重度；CC．分别为拖曳力和上举力系数，通常认为与沙粒雷诺数ud／相关，u为摩阻流速，为水流运动粘滞系数；f为床面静摩擦系数，取为常数。然后，借助于爱因斯坦(Einstein)紊流流速分布公式：=5．75lg30．2(2)￡上1“式中为沙粒雷诺数的函数；Ot为常数(一2)，从而导出了Shields起动切应力公式：(P一P)gd，(＼)／㈩、式(3)左端即定义为Shields参数；为起动切应力；“为起动摩阻流速，并通过不同比重4种沙的试验结果以及其他学

7、者和研究机构的资料得出起动曲线，如图1所示。沙粒雷诺数事实上表示了粒径与近壁层流层厚度的比值，从边界层的角度来看，其表征沙粒周围不同的绕流流态，不同的水流泥沙条件下，存在着紊流光滑区、过渡区及粗糙区。由图l可知，双对数坐标条件下，Shields曲线在粗糙紊流区呈水平线趋势，在过渡区呈马鞍形曲线，在光滑紊流区，曲线成为一条45。的直线。应该指出，光滑紊流区的曲线是由Shields从泥沙沉降时阻力系数