【摘要】：針對(duì)泥沙研究中床面泥沙沖刷函數(shù)以經(jīng)驗(yàn)公式為主,難以深入分析紊流隨機(jī)因素作用下床面泥沙運(yùn)動(dòng)與沖刷強(qiáng)度的力學(xué)聯(lián)系的問題,本文基于泥沙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)理學(xué)理論建立了床面泥沙沖刷函數(shù)。論文中,在動(dòng)理學(xué)理論框架下將床沙沖刷通量表示為單位面積和單位時(shí)間內(nèi)在紊流升力、拖曳力、重力等作用下離開床面的泥沙質(zhì)量(體積)的統(tǒng)計(jì)系綜平均,并采用泥沙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)理學(xué)方程確定了沖刷函數(shù)中床面泥沙運(yùn)動(dòng)的速度分布函數(shù)這一關(guān)鍵統(tǒng)計(jì)力學(xué)變量。論文還將得到的沖刷函數(shù)與3家80組不同來源的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及3家沖刷函數(shù)進(jìn)行了對(duì)比,并作為沖刷邊界條件用于懸移質(zhì)輸沙的計(jì)算。結(jié)果表明,本文得到的沖刷函數(shù)不僅具有更好的理論基礎(chǔ),且沖刷通量計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合良好,相對(duì)誤差在[-0.5~0.5]之間的數(shù)據(jù)占所有數(shù)據(jù)的87.2%,相比其他沖刷函數(shù)具有更好的計(jì)算精度;作為邊界條件計(jì)算得到的沖刷過程中懸移質(zhì)濃度分布也較好地復(fù)原了實(shí)驗(yàn)過程。本文的研究表明,基于動(dòng)理學(xué)理論的沖刷函數(shù)既反映了微觀狀態(tài)下拖曳力、升力等隨機(jī)性外力對(duì)床面顆粒運(yùn)動(dòng)的影響,又反映了顆粒運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,從而能更準(zhǔn)確地從力學(xué)本質(zhì)上反映水流強(qiáng)度及顆粒大小等對(duì)沖刷通量的影響規(guī)律,體現(xiàn)了動(dòng)理學(xué)理論在分析床面泥沙運(yùn)動(dòng)特征的優(yōu)勢(shì)。
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圖片說明： 從圖中可以發(fā)現(xiàn)，紊流調(diào)制系數(shù)Dp的變化與粒徑有關(guān)，這一點(diǎn)在其他相關(guān)研究中也得到了證實(shí)［38］。為便于應(yīng)用，我們建立了Dp與無量綱粒徑D*=D(gΔυ2)f13的相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。從圖中可以看出，除了Cheng和Emadzadeh［19］實(shí)驗(yàn)中粒徑0.44mm一組對(duì)應(yīng)的Dp值（即圖中紅色點(diǎn)據(jù)）出現(xiàn)較大的偏離外，其他Dp值與無量綱粒徑D*具有很高的相關(guān)性，用上述3家實(shí)驗(yàn)共計(jì)80組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到Dp的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式Dp=1.14×［1-0.98exp（-0.09D*）］。圖3給出了采用Dp經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算的床沙沖刷通量與實(shí)測(cè)資料的對(duì)比結(jié)果，兩者仍然較為一致，反映出Dp經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式具有較好的精度與適用性，可用于實(shí)際計(jì)算。但需要說明的是，由于紊流調(diào)制作用的機(jī)理仍然不明確，Dp與D*的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系不可避免地受限于率定所用數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)范圍，在今后研究中需對(duì)其做深入研究。圖1床面沖刷通量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖2紊流調(diào)制系數(shù)Dp與無量綱粒徑D*的關(guān)系圖3沖刷函數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比3.2作為對(duì)比分析，本文還將式（7）及其他代表性沖刷函數(shù)與實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)資料仍然選擇vanRijn［14］、Cheng和Emadzadeh［19］、Okayasu［20］研究中的數(shù)據(jù)，對(duì)比的沖刷函數(shù)選擇vanRijn［14］、Cao［1］、Cheng和Emadzadeh［19］等研究得到的沖刷函數(shù)。需要說明的是，Cheng和Emadzadeh［19］的實(shí)驗(yàn)中有幾組數(shù)據(jù)水流強(qiáng)度較低，不滿足對(duì)比沖刷函數(shù)中床沙的起動(dòng)條件，為了保證不同沖刷函數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)的一致性，后文分析中不考慮這幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.2.1vanRijn沖刷函數(shù)［14］vanRijn［14］認(rèn)為床沙沖刷通量與無量綱粒徑D*及泥沙輸移狀態(tài)T=(u2)*-u2*，cu2*，c關(guān)系十分密切，可
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圖片說明： 從圖中可以發(fā)現(xiàn)，紊流調(diào)制系數(shù)Dp的變化與粒徑有關(guān)，這一點(diǎn)在其他相關(guān)研究中也得到了證實(shí)［38］。為便于應(yīng)用，我們建立了Dp與無量綱粒徑D*=D(gΔυ2)f13的相關(guān)關(guān)系，如圖2所示。從圖中可以看出，除了Cheng和Emadzadeh［19］實(shí)驗(yàn)中粒徑0.44mm一組對(duì)應(yīng)的Dp值（即圖中紅色點(diǎn)據(jù)）出現(xiàn)較大的偏離外，其他Dp值與無量綱粒徑D*具有很高的相關(guān)性，用上述3家實(shí)驗(yàn)共計(jì)80組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到Dp的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式Dp=1.14×［1-0.98exp（-0.09D*）］。圖3給出了采用Dp經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算的床沙沖刷通量與實(shí)測(cè)資料的對(duì)比結(jié)果，兩者仍然較為一致，反映出Dp經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式具有較好的精度與適用性，可用于實(shí)際計(jì)算。但需要說明的是，由于紊流調(diào)制作用的機(jī)理仍然不明確，Dp與D*的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系不可避免地受限于率定所用數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)范圍，在今后研究中需對(duì)其做深入研究。圖1床面沖刷通量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖2紊流調(diào)制系數(shù)Dp與無量綱粒徑D*的關(guān)系圖3沖刷函數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比3.2作為對(duì)比分析，本文還將式（7）及其他代表性沖刷函數(shù)與實(shí)驗(yàn)資料進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)資料仍然選擇vanRijn［14］、Cheng和Emadzadeh［19］、Okayasu［20］研究中的數(shù)據(jù)，對(duì)比的沖刷函數(shù)選擇vanRijn［14］、Cao［1］、Cheng和Emadzadeh［19］等研究得到的沖刷函數(shù)。需要說明的是，，Cheng和Emadzadeh［19］的實(shí)驗(yàn)中有幾組數(shù)據(jù)水流強(qiáng)度較低，不滿足對(duì)比沖刷函數(shù)中床沙的起動(dòng)條件，為了保證不同沖刷函數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)的一致性，后文分析中不考慮這幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3.2.1vanRijn沖刷函數(shù)［14］vanRijn［14］認(rèn)為床沙沖刷通量與無量綱粒徑D*及泥沙輸移狀態(tài)T=(u2)*-u2*，cu2*，c關(guān)系十分密切，可
【作者單位】： 清華大學(xué)水利水電工程系水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;
【基金】：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379102,51609264)
【分類號(hào)】：TV147

【參考文獻(xiàn)】

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1 李肖男;鐘德鈺;黃海;張紅武;張磊;;基于兩相渾水模型的三維水沙數(shù)值模擬[J];中國科學(xué):技術(shù)科學(xué);2015年10期

2 De-yu ZHONG;Guang-qian WANG;Lei ZHANG;;A Bed-load function based on kinetic theory[J];International Journal of Sediment Research;2012年04期

3 周宜林;姚仕明;唐洪武;HU Henry H.;;均勻沙上揚(yáng)通量的能量平衡模型[J];水力發(fā)電學(xué)報(bào);2008年05期

4 ;CONCENTRATION DISTRIBUTION OF SEDIMENT IN BED LOAD LAYER[J];Journal of Hydrodynamics(Ser.B);2004年01期

5 曹志先;基于湍流猝發(fā)的床面泥沙上揚(yáng)通量[J];水利學(xué)報(bào);1996年05期

6 程年生;朱立俊;;床面泥沙的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率與質(zhì)量交換率[J];水資源與水工程學(xué)報(bào);1993年03期

7 沙玉清;;泥沙運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律[J];泥沙研究;1956年02期

【共引文獻(xiàn)】

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1 賈寶真;張磊;李肖男;鐘德鈺;;基于動(dòng)理學(xué)理論的床沙沖刷函數(shù)[J];水利學(xué)報(bào);2017年07期

2 郭小虎;于倩;渠庚;陳棟;朱勇輝;;清水沖刷下均勻天然沙含沙量恢復(fù)過程試驗(yàn)研究[J];應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào);2017年03期

3 Mohamed Elhakeem;A.N.Thanos Papanicolaou;Achilleas G.Tsakiris;;A probabilistic model for sediment entrainment:The role of bed irregularity[J];International Journal of Sediment Research;2017年02期

4 李林林;張根廣;;彎道岸坡上粗細(xì)泥沙統(tǒng)一起動(dòng)流速公式[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯);2017年03期

5 劉歐;;洋山深水港區(qū)四期工程西圍堤深潭拋砂施工淺析[J];中國水運(yùn)(下半月);2017年02期

6 Zhen Meng;Danxun Li;Xingkui Wang;;Modification of the Engelund bed-load formula[J];International Journal of Sediment Research;2016年03期

7 王勇;楊啟容;吳榮華;陳霄;;污水換熱器流態(tài)化在線防、除垢實(shí)驗(yàn)[J];化工進(jìn)展;2015年12期

8 鐘德鈺;張磊;王光謙;;泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展和前沿[J];水利水電科技進(jìn)展;2015年05期

9 李平;劉紅梅;胡富城;;高含沙懸浮液沉降規(guī)律研究[J];人民黃河;2015年02期

10 沈淇;顧峰峰;戚定滿;孔令雙;萬遠(yuǎn)揚(yáng);王巍;;洋山港區(qū)域挾沙力公式研究[J];水運(yùn)工程;2013年11期

【二級(jí)參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張磊;鐘德鈺;吳保生;劉磊;;明渠中懸移質(zhì)的彌散-對(duì)流方程及懸浮機(jī)理[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

2 倪培桐;韋惺;吳超羽;劉歡;;珠江河口潮能通量與耗散[J];海洋工程;2011年03期

3 李勇;余錫平;;基于兩相紊流模型的懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬[J];清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年06期

4 鐘德鈺;張紅武;;明渠挾沙水流中懸移質(zhì)的床面平衡濃度[J];水利學(xué)報(bào);2006年07期

5 唐立模;王龍;王興奎;;水流強(qiáng)度對(duì)推移質(zhì)三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響[J];水力發(fā)電學(xué)報(bào);2006年03期

6 傅旭東,王光謙;傳統(tǒng)泥沙擴(kuò)散方程的誤差分析[J];泥沙研究;2004年04期

7 傅旭東,王光謙;明渠挾沙水流的顆粒相平均速度及速度滑移[J];泥沙研究;2003年06期

8 ;VERIFICATION AND COMPARISON OF FORMULAS FOR BED LOAD TRANSPORT[J];Journal of Hydrodynamics(Ser.B);2001年01期

9 ;MATHEMATICAL MODELS FOR LIQUID-SOLID TWO-PHASE FLOW[J];International Journal of Sediment Research;2000年03期

10 曹志先;泥沙數(shù)學(xué)模型近底邊界條件Ⅰ:平衡輸沙[J];水利學(xué)報(bào);1997年01期

【相似文獻(xiàn)】

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1 倪晉仁,梁林;水沙流中的泥沙懸浮(Ⅱ)[J];泥沙研究;2000年01期

本文編號(hào)：2513159