输沙能力研究：基于能量观点的探索

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：基于重力理论的概念，Velikanov得到的输沙能力基本表达式如下:图2-3参数Φ/θ2.5与fE之间的关系1.重力理论Velikanov的重力理论认为，挟带悬移质泥沙的浑水水流，在运动过程中要消耗能量。

本节建立的输沙能力公式是基于水流功率概念得到的。过去基于水流功率或能量的概念建立了很多输沙能力公式，具有代表性的理论主要有Velikanov (1954)的重力理论、Bagnold(1966)的水流功率理论以及Yang (Yang，1973;Yang& Molinas，1982)的单位水流功率理论。

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图2-2　雷诺数与无量纲单位水流功率参数的关系

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图2-3　参数Φ/θ2.5与fE之间的关系

1.重力理论

Velikanov(1954)的重力理论认为，挟带悬移质泥沙的浑水水流，在运动过程中要消耗能量。消耗的能量分为两个部分:一部分是浑水水流中的清水为了克服阻力而消耗的能量E2;另一部分是浑水水流中的清水为了克服重力作用而维持悬移质泥沙悬浮所消耗的能量，即所谓“悬浮功”E3。如果单位时间内单位体积的浑水水流中的清水提供的有效能量记为E1，则有E1=E2+E3。基于重力理论的概念，Velikanov得到的输沙能力基本表达式如下:

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式中:Cv为床沙质泥沙的体积含沙量;h 为水深;g 为重力加速度;ω 为沉速;K 为系数，与Darcy-Weisbach阻力系数有关，可以表示为:

式中:fo和f 分别为清水水流和浑水水流的Darcy-Weisbach阻力系数;sg为相对容重，sg=γs/γ。

基于Velikanov的重力理论概念，张瑞瑾(1959)和窦国仁 (1974)分别给出了如下输沙能力公式:

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式中:Ct为床沙质泥沙的含沙量;m 为指数;R 为水力半径;K1和K2为系数，可以分别表示为:

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式中:C 为Chezy阻力系数;k1、k2、α均为系数。

2.水流功率理论

Bagnold (1966)的水流功率理论从最基本的物理规律出发，认为水流因搬运泥沙颗粒在单位时间内所消耗的能量等于水流提供的水流功率乘以效率系数。从水流功率的概念出发，Bagnold分别得出了推移质输沙能力公式和悬移质输沙能力公式，而单宽床沙质输沙率则等于单宽推移质输沙率与单宽悬移质输沙率之和，即:

式中:eb为水流搬运推移质的效率;qt、qb、qs分别是单宽床沙质输沙率、单宽推移质输沙率和单宽悬移质输沙率;tanα 为摩擦角的正切值;τ0为挟沙水流作用在床面上的剪切力。

3.单位水流功率理论

从能量的观点看，水流输送泥沙所耗散的能量与其输送泥沙量的大小有关，由此可根据流体力学和紊流理论的基本理论，经推导得到含沙量与单位水流功率之间的关系(Yang，1973;Yang & Molinas，1982)。Yang 和Molinas 从紊流能量方程和Rouse(1937)的悬移质含沙量垂直分布公式出发，证明了含沙量垂直分布与紊动能量的垂直分布有关，即:

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由式(2-9)进一步推导可以得到:

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式中:M 和N 为参数;参数UJ/ω50为无量纲的单位水流功率。

输沙能力研究：基于能量观点的探索

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