基于动理学理论的床沙冲刷函数

发布时间：2019-07-11 12:27

【摘要】：针对泥沙研究中床面泥沙冲刷函数以经验公式为主,难以深入分析紊流随机因素作用下床面泥沙运动与冲刷强度的力学联系的问题,本文基于泥沙运动的动理学理论建立了床面泥沙冲刷函数。论文中,在动理学理论框架下将床沙冲刷通量表示为单位面积和单位时间内在紊流升力、拖曳力、重力等作用下离开床面的泥沙质量(体积)的统计系综平均,并采用泥沙运动的动理学方程确定了冲刷函数中床面泥沙运动的速度分布函数这一关键统计力学变量。论文还将得到的冲刷函数与3家80组不同来源的实验数据以及3家冲刷函数进行了对比,并作为冲刷边界条件用于悬移质输沙的计算。结果表明,本文得到的冲刷函数不仅具有更好的理论基础,且冲刷通量计算值与实验值符合良好,相对误差在[-0.5~0.5]之间的数据占所有数据的87.2%,相比其他冲刷函数具有更好的计算精度;作为边界条件计算得到的冲刷过程中悬移质浓度分布也较好地复原了实验过程。本文的研究表明,基于动理学理论的冲刷函数既反映了微观状态下拖曳力、升力等随机性外力对床面颗粒运动的影响,又反映了颗粒运动的统计规律,从而能更准确地从力学本质上反映水流强度及颗粒大小等对冲刷通量的影响规律,体现了动理学理论在分析床面泥沙运动特征的优势。
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图片说明：从图中可以发现，紊流调制系数Dp的变化与粒径有关，这一点在其他相关研究中也得到了证实［38］。为便于应用，我们建立了Dp与无量纲粒径D*=D(gΔυ2)f13的相关关系，如图2所示。从图中可以看出，除了Cheng和Emadzadeh［19］实验中粒径0.44mm一组对应的Dp值（即图中红色点据）出现较大的偏离外，其他Dp值与无量纲粒径D*具有很高的相关性，用上述3家实验共计80组实验数据计算得到Dp的经验关系式Dp=1.14×［1-0.98exp（-0.09D*）］。图3给出了采用Dp经验关系式计算的床沙冲刷通量与实测资料的对比结果，两者仍然较为一致，反映出Dp经验关系式具有较好的精度与适用性，可用于实际计算。但需要说明的是，由于紊流调制作用的机理仍然不明确，Dp与D*的经验关系不可避免地受限于率定所用数据的实验范围，在今后研究中需对其做深入研究。图1床面冲刷通量计算值与实测值的对比图2紊流调制系数Dp与无量纲粒径D*的关系图3冲刷函数计算值与实测值的对比3.2作为对比分析，本文还将式（7）及其他代表性冲刷函数与实验资料进行了对比。实验资料仍然选择vanRijn［14］、Cheng和Emadzadeh［19］、Okayasu［20］研究中的数据，对比的冲刷函数选择vanRijn［14］、Cao［1］、Cheng和Emadzadeh［19］等研究得到的冲刷函数。需要说明的是，Cheng和Emadzadeh［19］的实验中有几组数据水流强度较低，不满足对比冲刷函数中床沙的起动条件，为了保证不同冲刷函数对比数据的一致性，后文分析中不考虑这几组实验数据。3.2.1vanRijn冲刷函数［14］vanRijn［14］认为床沙冲刷通量与无量纲粒径D*及泥沙输移状态T=(u2)*-u2*，cu2*，c关系十分密切，可
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图片说明：从图中可以发现，紊流调制系数Dp的变化与粒径有关，这一点在其他相关研究中也得到了证实［38］。为便于应用，我们建立了Dp与无量纲粒径D*=D(gΔυ2)f13的相关关系，如图2所示。从图中可以看出，除了Cheng和Emadzadeh［19］实验中粒径0.44mm一组对应的Dp值（即图中红色点据）出现较大的偏离外，其他Dp值与无量纲粒径D*具有很高的相关性，用上述3家实验共计80组实验数据计算得到Dp的经验关系式Dp=1.14×［1-0.98exp（-0.09D*）］。图3给出了采用Dp经验关系式计算的床沙冲刷通量与实测资料的对比结果，两者仍然较为一致，反映出Dp经验关系式具有较好的精度与适用性，可用于实际计算。但需要说明的是，由于紊流调制作用的机理仍然不明确，Dp与D*的经验关系不可避免地受限于率定所用数据的实验范围，在今后研究中需对其做深入研究。图1床面冲刷通量计算值与实测值的对比图2紊流调制系数Dp与无量纲粒径D*的关系图3冲刷函数计算值与实测值的对比3.2作为对比分析，本文还将式（7）及其他代表性冲刷函数与实验资料进行了对比。实验资料仍然选择vanRijn［14］、Cheng和Emadzadeh［19］、Okayasu［20］研究中的数据，对比的冲刷函数选择vanRijn［14］、Cao［1］、Cheng和Emadzadeh［19］等研究得到的冲刷函数。需要说明的是，，Cheng和Emadzadeh［19］的实验中有几组数据水流强度较低，不满足对比冲刷函数中床沙的起动条件，为了保证不同冲刷函数对比数据的一致性，后文分析中不考虑这几组实验数据。3.2.1vanRijn冲刷函数［14］vanRijn［14］认为床沙冲刷通量与无量纲粒径D*及泥沙输移状态T=(u2)*-u2*，cu2*，c关系十分密切，可
【作者单位】：清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室;青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51379102,51609264)
【分类号】：TV147

【参考文献】