盐水楔对浊流泥沙浓度影响的实验研究

发布时间：2020-06-20 22:49

【摘要】：来自河流的淡水和海洋的盐水在河口处相遇,由于密度的差异,导致密度流产生。密度较大的海水从水体下层向陆侵入,密度较小的河水从水体上层流向大海,由此水体形成垂向分层。盐水楔是一种典型的高分层状态,盐水楔的存在及其运动和动力的特性极大影响着河口区域的泥沙悬浮、输运和沉积。对其内部动力机制进行探索,有助于我们加深对河口地区泥沙输运特征的认识,从而分析河口区域环境变化的根本原因。本文通过物理试验对盐水楔条件下河口泥沙运动的动力过程进行研究,先在实验室静水和水槽动水的条件下利用高精度仪器剖面流速仪(ADVP)进行悬沙浓度声学反演分析,验证仪器声强信号(AMP)值与泥沙浓度的关系。而后建立上游径流为浑水,下游盐水入侵的矩形水槽物理实验系统,利用反演后的仪器ADVP和点式流速仪(ADV)同步测量流速和声强信号(AMP)值,设计不同水深、盐水流量、浑水流量和采样频率条件下的实验工况,分析盐水楔入侵过程中的悬沙浓度变化,并计算紊动参数说明悬沙浓度变化的原因,得到悬沙在盐水环境下的浓度变化规律。主要的研究内容及成果如下:(1)在声学反演分析中,仪器测得的声强信号(AMP)值与浑水泥沙浓度正相关,并提出在静水条件下用AMP值反演泥沙浓度的经验公式。通过验证,公式在小泥沙浓度(0.3g/L)的情况下,有很好的适应性。(2)基于水槽实验,得出盐水楔入侵中会引起盐淡水交界处附近出现浑水泥沙浓度增大的现象,但影响范围有一定界限,约为交界面附近1cm左右,并可以持续一段时间。同时,对于小泥沙浓度,ADVP仪器声强信号的测量结果优于ADV仪器。(3)通过紊动特征值的计算和分析,得出在盐水楔的盐淡水交界面处泥沙浓度增大的主导的动力作用为垂向流速剪切。它产生的大尺度涡旋,促进紊动向上输运,故颗粒浓度在盐水楔界面附近受紊动作用而明显增加。上层泥沙虽然逐渐沉降,接近盐水楔界面时却因交界面的小尺度紊动而保持悬浮,使沉降减弱,从而观察到盐淡水交界面附近浊流泥沙浓度上升。同时高剪切的出现并不一定意味着紊动耗散的增加,其产生的大尺度涡旋有利于颗粒悬浮,但小尺度涡旋并没有明显增加或发育,可知泥沙浓度增大后持续一段时间,再回到盐水未到时的大小的原因是浊流本身小尺度涡旋的紊动。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV148
【图文】：

示意图,绪论,示意图

研究路线示意图

示意图,示意图,水槽,盐水

2.1 水槽实验系统本文实验在珠江水利委员会珠江水利科学研究院里水实验基地进行。水槽全长 5m高 20cm，宽 20cm，水槽底部距地面 1m，以有机玻璃作为水槽材料，接头处用玻璃胶粘连，实验水槽模型示意图如图 2-1 所示。水槽左侧为出水口，利用 4 块宽约 3cm 的挡板调节水槽水深；水槽右侧为进水口有适当长度的消能段，采用碎石，细砂和消能网三层结构进行消能，目的是尽可能减小进水口紊动，使进入测量段的水流尽量平稳；在水槽外放置两个大桶，分别配置盐水和泥沙浑水。浑水从浑水桶由抽水泵抽吸到进水口进入水槽，流速由浮子流量计控制；盐水桶放置在高处，利用虹吸原理，将盐水从盐水桶虹吸到如图 2-1 所示的盐水进口处，此处盐水的流量也同样用浮子流量计控制，简单模拟盐水入侵。为保证水槽中盐水只在密度差作用下入侵，在调节水深的挡板上加上盖板，从底部进入水槽的盐水在接触盖板后，向上流速减小为 0，只有密度差作用让盐水前进。

【参考文献】