泥沙沉降速度分析

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1、泥沙沉降速度分析港航103奚惠燕201010413085摘要:在大量参考文献基础上,对泥沙沉降速度及其影响因素进行了综述,讨论了自由沉降和群体沉降速度的计算公式,并将它们统一起来。分析表明,计算沉速的公式虽然不少,但不是精度不够,就是结构繁琐。从实用观点来看,张瑞瑾公式可以同时满足各流区的要求,是表达泥沙沉速的可用公式。为使沉降速度公式更加完善,有关泥沙沉降速度的试验研究仍有待于进一步加强。关键词:泥沙；沉降速度；影响因素；计算公式1单颗粒泥沙沉速泥沙颗粒在静水中下沉时,它的运动状态与沙粒雷诺数Re=Wod/v有关

2、,此处M为清水的运动粘度,d及Wo分别为单颗粒泥沙的粒径与沉速。当沙粒雷诺数Re<0.5时,泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉,附近的水几乎不发生紊乱现象,这时的运动属于层流状态,浑液面沉速符合均匀沉降的特点。当沙粒雷诺数Re>1000时,泥沙颗粒脱离铅垂线以极大的紊动状态下沉,附近的水产生强烈的绕动和涡动,这时的运动属于紊流状态,浑液面沉速符合压缩沉降的特点。当沙粒雷诺数0.5

3、而导出的:式中γs为泥沙容重,C为清水容重,c1及c2是按实测资料确定的无因次系数。参照各家资料,用C1=13195,C2=1109代入(1)式可得经实测资料的验证表明,式(2)可以同时满足层流区、紊流区及过渡区的要求。也就是说,式(2)是表达泥沙沉降速度的通用公式。这是因为:由层流状态到紊流状态的过渡不是突然完成,而是逐渐完成的。由式(2)可以看出:如温度不变,当粒径增大时,属于滞性阻力作用的影响会逐渐减小,并当粒径d趋于临界值后,滞性因素的作用可以忽略不计,这时只有紊动阻力的因素起着决定作用。当粒径d减小时,两

4、种阻力的作用关系与上述情况正好相反。从而又可得到简化的层流及紊流沉速公式:如果用C1=6,C2=2/3代入式(1)可得到鲁比沉速公式,它适用于细颗粒泥沙(此时公式的形式实际为Stokes的球体沉速公式),而用于粗颗粒泥沙时,所得沉速明显偏小。2泥沙群体沉速高浓度下粘性泥沙的沉降属于群体沉降的性质。关于群体沉降的沉速公式的研究,从机理上大致可以分为两类。一种是以Micliaels和Bolger为代表采用修订过的Richardson型公式。Richardson曾从量纲分析入手,根据高浓度的沉降阻力类似渗流阻力的物理图案

5、出发,成功地导得无粘性泥沙高含沙浓度对沉速影响的公式:式中w表示体积含沙浓度为Sv时的群体泥沙沉速;m为指数,据Richardson等人的试验研究,在层流区,m取值为4165;郭慕孙等人则认为m为4191;而钱宁等人在试验中发现m并非常数,而与雷诺数有关,且随着雷诺数的提高而减少,最小时为2125;王兆印等人的试验表明,m为710~715。由此可见,m值变化很大,使得式(5)的应用受到很大的限制。此外,该式的结构形式也存在着缺点。当Sv=1时,X才达到零,而事实上不不可能达到1,因为当泥沙浓度接近其极限含沙浓度Sv

6、m=014~0164时,颗粒与颗粒已经直接接触,此时沉速已经为零。这说明浓度越大,群体沉降速度越大。而Richardson通过一个修正系数B(由粘性泥沙种类和结构所决定)来弥补式(5)形式上的不足,所得公式为:另一类以钱意颖、迟耀瑜为代表,把群体沉速与清水中单个颗粒的沉速加以对比,认为后者的减小主要是由于容重(浮力)、粘度(阻力)和对流(阻力)改变的结果:式中γm为浑水容重;μm为浑水的动力粘度。影响因素：影响泥沙沉速的因素很多,如含沙量大到一定程度之后,沉速计算公式必须考虑含沙量的影响。这种影响与泥沙粒径的粗细关

7、系甚大;而对于d<0101mm的细颗粒泥沙而言,水质对泥沙沉速的影响是不容忽视的。在此范围内,含沙量对沉速的影响,是和水质对沉速的影响结合在一起而通过絮凝起作用的。由此可见,絮凝作用也是影响泥沙沉速的重要因素。结语泥沙沉速是泥沙的一个十分重要的特性。在许多情况下,它反映了泥沙在与水流相互作用时对机械运动的抗拒能力。组成河床的泥沙沉速越大,则泥沙沉降的趋势也越强。尽管泥沙沉速有这样重要的意义,但是关于泥沙沉速的试验研究工作仍然进行得不够充分。计算沉速的公式虽然不少,但不是精度不够,就是计算繁琐。从实用观点来看,张瑞瑾

8、公式可以同时满足各流区的要求,是表达泥沙沉速的可用公式。