资源描述：
《泥沙起动流速研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、水利学报2002年10月SHUILIXUEBAO第10期文章编号:05599350(2002)10005106泥沙起动流速研究1,2111何文社,方铎,杨具瑞,曹叔尤(1四川大学高速水力学国家重点实验室,四川成都610065;2兰州铁道学院,甘肃兰州730070)摘要:从泥沙起动的特点出发,将瞬时作用流速、起动标准、泥沙颗粒在床面的相对暴露度及附加质量力等影响因素同时引入到推移质泥沙起动中,使分析泥沙起动时考虑的因素更加全面。采用经典力学与统计理论相结合的方法,得到了泥沙起动无量刚切应力公式。并对公式中的系数进行了数
2、值计算。结果表明,该系数并非为一个常数,而是在一定的范围内,且随床面上颗粒的相对暴露度而变。同时,还得到了概括散粒体和粘性细颗粒泥沙的统一的均匀沙起动流速公式的上、下限。说明其系数也是在一个区间取值。关键词:泥沙;临界切应力;起动流速中图分类号:TV142文献标识码:A泥沙的起动条件是泥沙运动力学研究中最基本的问题之一。有关推移质泥沙起动规律问题,国内外已有许多研究。到目前为止,所提出的无粘性颗粒的起动流速公式已在100个左右。就天然均匀沙11起动公式来说,各式在形式上差别不大,大多为V36c=kdh,现将部分研究者所得公式中的系数值列于表1,可见
3、其系数取值离散度较大。这使得人们在实际使用时,增加了一定的难度。对非均匀沙来说,尽管各家公式基本上都通过了理论分析及实测资料的验证,但公式在形式及计算结果上相差较大,使人们在选择应用时,同样增加了一定难度;与此同时,对有些问题不能作出合理的解释。出现这种现象的原因,主要是对泥沙起动机理探讨的还不够完善。表1流速公式系数比较作者系数k作者系数k卢金友[1]382秦荣昱[1]490长科院[1]434张瑞谨[2]539沙莫夫[2]460华国祥[1]543刘兴年[3]462唐存本[2]6171泥沙起动机理探讨11泥沙起动中存在的问题
4、由于泥沙颗粒处于床面的位置及作用在颗粒上的水流速度等是随机的,故泥沙起动具有随机性。最早将起动作为一个随机事件进行研究的是Einstein(1950)。在此之前,通常以临界起动无因次切应力c或临界起动流速Vc作为判别床面泥沙起动的标准,并将起动现象作为一个确定性的问题来研究。当水流拖曳力或水流流速大于临界拖曳力或临界起动流速时,床面上的泥沙颗粒将起动,从起动的平均情况来说,这是正确的。但进一步的研究表明,在水流小于起动临界条收稿日期:20010717基金项目:国家自然科学基金和水利部联合资助重大项目(59890200);九五课题资助(95-
5、5-4)作者简介:何文社(1966-),男,甘肃宁县人,兰州铁道学院副教授,四川大学博士生,51件时,床面上就有泥沙起动;而在水流大于起动临界条件时,床面上还存在没有起动的泥沙,这是因为上述确定性处理方法将起动问题作为一个必然事件来研究,实际上床面泥沙起动是随机的。12泥沙起动标准研究起动现象既然是随机的,那必然存在一个起动概率问题。流速ub这个随机变量,具有正态分布,其分布密度f(ub)为:1(ub-ub)f(ub)=exp-22(1)2uubb式中:ub、ub、u分别为水流瞬时底速、瞬时平均底速及瞬时底速均方差。由文献[4
6、]可知,u=bb037ub。[5][6]从正态分布的特性可知,ub的不同取值与概率P存在表2所述关系。参考Kramer和窦国仁的作法,按表2的关系分别定义了弱动、中动、普遍及强烈运动4种起动状态。表2起动状态与流速及起动概率的关系起动级别起动状态瞬时底速ub取值概率P1弱动3ubub+3ub000142中动2ubub+2ub002283普动1ubub+ub015854强动0ubub05000现有公式大多是将随机变量作为常量而建立的。公式中的系数一般是通过泥沙起动试验资料来率定,而判别起动的标准则大体上定为部分
7、床面上有很少的泥沙在运动,即弱动。2受力分析及起动模式21受力分析床面上完全暴露的泥沙颗粒上所受的力一般有水流拖曳力FD、上举力FL及水下重力W,其表达式分别为:222ub2ub3FD=CDDdi,FL=CLLdi,W=W(S-)di(2)22式中:D、L、W分别为与水流拖曳力、上举力及水下重力相应的面积系数;CD、CL为拖曳力及上举力系数;ub为水流作用在床面沙粒上的瞬时流速;s、分别为泥沙颗粒及水的容重;为水的密度;di为所研究的泥沙颗粒粒径。群体中具有一定隐暴度的颗粒与床面上完全暴露的单颗粒相比,除考虑上述作
8、用力外,还须考虑由于非均匀沙颗粒的组成及相对暴露度而产生的附加质量力FM,其表达式定义为:dmax3dj3dmFM=M
