水流紊動對泥沙絮凝影響的研究綜述

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

水流紊動對泥沙絮凝影響的研究綜述

張凌越

(重慶交通大學河海學院重慶400074)

細沙絮凝規(guī)律的研究是一個復雜的問題，本文對紊動作用對絮團的沉降速度，絮團的粒徑以及絮凝時間的影響三方面進行了總結(jié)。經(jīng)過對國內(nèi)外專業(yè)相關(guān)文獻的調(diào)研，可以得出的大體結(jié)論是水體紊動對絮凝起促進作用，當達到某一臨界值后，隨著紊動強度的增加，水體的紊動對絮凝起破壞作用。

紊動；絮凝；粘性泥沙

在河口海岸環(huán)境中，粘性泥沙的絮凝造成航道淤積，阻礙航道內(nèi)船只的正常航行。因此對于細顆粒粘性泥沙絮凝規(guī)律的研究十分重要。絮團是液體中的介質(zhì)在布朗運動、差速沉降、水流紊動等條件下引起碰撞、接觸，使得一定比率的顆粒粘結(jié)在一起而形成的，這一過程稱之為絮凝[1][2]。影響泥沙絮凝的因素有很多，水流的紊動作用是影響泥沙絮凝的重要因素[3]。本文對國內(nèi)外關(guān)于水流的紊動作用對絮凝各方面的影響進行回顧和總結(jié)。

一、紊動對絮凝的影響

(一)紊動對泥沙絮凝沉速的影響

早期工程設(shè)計中水流的攜沙能力一般采用泥沙的靜水沉速。顯然泥沙在紊動水流中采用靜水沉降速度不合適，嚴鏡海[4]分析計算了對于潮汐水流紊動作用下的泥沙沉速：[4]

(1)

(2)

(3)

J.C.Winterwerp[5]等通過拉格朗日模型，推導出在紊動條件下絮凝沉速的啟發(fā)性公式：

(4)

其中h，t，c為沉積參數(shù)，絮團的物理參數(shù)D0，m，nf；k2k3k4為經(jīng)驗系數(shù)。m，nf可以單獨確定。該模型預(yù)測的結(jié)果和實際測量的結(jié)果的相對誤差在30%至50%之間，雖然誤差稍微有些大，但趨勢基本正確。

上述研究主要是宏觀上的模擬和研究；張金鳳[6]等人運用LB方法建立三維數(shù)值模型，從微觀尺度模擬水流和泥沙的運動，發(fā)現(xiàn)在紊動剪切率G=200s-1之前隨著紊動剪切率的增加，沉速不斷地增加，而在紊動剪切率G=200s-1之后，隨著紊動剪切率的增加而減小。

(二)紊動對泥沙絮凝時間的影響

張金鳳[6]等利用三維數(shù)值模型發(fā)現(xiàn)3.75s時第一個絮團形成，隨著紊動剪切率不斷增加，形成絮團的時間越短，同樣分界點為G=200s-1，當超過了這個臨界點時，絮團形成的時間變長，隨著紊動作用的增強，絮團個數(shù)減少，絮團破裂。

柴朝暉[7]等利用matlab編程模擬細沙的絮凝過程，研究了不同紊動強度下絮凝速度的變化規(guī)律和豎直方向上絮凝速度在空間上的變化。發(fā)現(xiàn)絮凝速度隨時間的變化規(guī)律可以分為加速階段，等速階段，減速階段；在等速階段絮團個數(shù)隨著紊動強度的增加先增加后減小；在紊動強度比較小的時候，紊動強度的增加促進泥沙顆粒之間的碰撞，此時切應(yīng)力比較小，促進絮凝，在紊動強度不大的時候，等速階段絮凝時間稍微長一些；反之隨著紊動作用的增強，絮團開始破裂，更快進入減速階段。其中紊流主要是在等速階段作用時間不同，影響粘性泥沙的絮凝過程[7]。

沿豎直方向上，將研究區(qū)域劃分成上、中、下三個區(qū)域。當其他條件相同時，中部區(qū)域較早地進入穩(wěn)定階段，下部區(qū)域與上部區(qū)域泥沙絮凝速度的情況基本相同。

(三)紊動對絮團粒徑的影響

喬光全等[8]利用格柵紊流實驗對泥沙絮凝過程進行了模擬。發(fā)現(xiàn)絮團粒徑隨著紊動強度的增大呈現(xiàn)先增大在減小的趨勢。同時他們還對比了淡水和鹽水中對絮團粒徑的影響，即鹽度較大的水體中絮團的粒徑比淡水中的絮團粒徑要大。

同樣柴朝暉[7]對于絮團粒徑的空間變化也做了研究和分析。下部區(qū)域：紊動作用較小時，促進絮團生成，絮團的平均粒徑隨著紊動強度的增加而增加，但是隨著紊動強度不斷增加，平均粒徑開始減小。絮凝過程中平均粒徑隨時間的變化過程也分為三個階段：加速增長階段，勻速增長階段，減速增長階段。主要考慮勻速增長階段，剛開始紊動作用使泥沙顆粒發(fā)生碰撞發(fā)生粘結(jié)，紊動切應(yīng)力對絮團的破壞不太明顯，中部區(qū)域和上部區(qū)域絮團的平均粒徑相差不大，水流縱向時均流速垂向分布呈指數(shù)分布，因此下部區(qū)域的流速比較小，中部及上部區(qū)域流速相差不大。隨著紊動作用增強，相應(yīng)的對絮團的破壞作用增強，中部區(qū)域的絮團破壞較大，粒徑分布范圍較窄，故中部區(qū)域的絮團的平均粒徑最小。最終穩(wěn)定后，中部區(qū)域的絮團平均粒徑最小，上部區(qū)域的絮團平均粒徑最大，下部區(qū)域絮團的平均粒徑介于上部區(qū)域和中部區(qū)域之間。

二、結(jié)論

本文主要是對國內(nèi)外關(guān)于水流的紊動作用對絮凝各方面的影響進行回顧和總結(jié)。針對紊動作用對絮團的沉降速度，絮團的粒徑以及絮凝時間三方面的影響進行總結(jié)。迄今為止研究分析表明的水體紊動對泥沙絮凝的影響基本一致的，即低紊動促進，高紊動破壞。

[1]楊鐵笙，熊陽忠，詹秀玲，楊美卿.粘性細顆粒泥沙絮凝研究概述[J].水利水運工程學報,2003,(2):65-77.

[2]張慶河，王殿志，趙子丹等.粘性泥沙絮凝研究評述(1):絮凝機理與絮團特性[J].海洋通報,2001,20(2):80-90.

[3]楊美卿,錢寧.紊動對細泥沙漿液絮凝結(jié)構(gòu)的影響[J].水利學報,1986,(8):21-30.

[4]嚴鏡海.潮汐水流中細顆粒泥沙絮凝沉降的初步探討[J].泥沙研究,1988,(4):10-22.

[5]Winterwerp J.C，Manning A.J，Martens C，et al.A heuristic formula for turbulence-induced flocculation of cohesive sediment[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science,2006,68(1/2):195-207.

[6]張金鳳，張慶河，喬光全.水體紊動對黏性泥沙絮凝影響研究[J].水利學報,2013,44(1):67-82.

[7]柴朝暉，楊國錄，余明輝等.紊流對粘性細顆粒泥沙絮凝影響[J].水科學進展,2012,23(6):808-814.

[8]喬光全，張金鳳，張慶河等.紊動對黏性泥沙絮凝沉降印象的實驗研究[J].天津大學學報,2014,47(9):811-816.