泥沙运动机理的统一性解析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：由于含沙量的不同，泥沙对水流运动的影响不同，高含沙水流和一般挟沙水流呈现出运动特性上的差异。随着水流运动的加强和含沙量的提高，泥沙运动呈现不同的运动模式，但是，其内在的运动机理是统一的，即泥沙颗粒与水流之间的相互作用和泥沙颗粒之间的相互作用共同决定了泥沙运动的具体形式。这种运动机理的统一性，为建立高含沙水流运动的动力学模型提供了基础。

由于含沙量的不同，泥沙对水流运动的影响不同，高含沙水流和一般挟沙水流呈现出运动特性上的差异。但是，从泥沙运动机理的角度，一般挟沙水流运动、高含沙水流运动遵循着统一的运动机理，即泥沙颗粒在与水流发生相互作用的同时，泥沙颗粒之间也存在着相互作用。只是随着水流运动的加强和泥沙浓度的提高，泥沙运动呈现不同的运动模式，如图3-1所示(钱宁，1989)。

第Ⅰ阶段，泥沙从静止的床面开始运动。

第Ⅱ阶段，随着水流强度的增大，床面上出现推移质运动，泥沙颗粒出现滑动、滚动、跳跃等多种形式，在运动过程中泥沙不断与床面接触。

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图3-1　泥沙运动模式的发展示意图 (钱宁，1989)

第Ⅲ阶段，随着水流强度的进一步增大，水流中部分泥沙继续以推移质形式在床面附近运动，部分泥沙在水流紊动支持下开始长时间脱离床面，呈现出悬疑质的运动形式，水流中已具有一定的泥沙浓度。

第Ⅳ阶段，随着水流强度的增加，水流中泥沙浓度增加。在浓度增大到一定程度后，高含沙水流运动开始出现。此时，如果粘性细颗粒充分补给，随着含沙量和宾汉极限剪切力的加大，越来越多的泥沙转化为中性悬浮质，水流中推移质、悬疑质和中性悬浮质同时存在。一般高含沙水流多属于这种紊流两相流，水和中性悬浮质组成液相，推移质和悬移质组成固相。如果水流中缺少粘性细颗粒，泥沙运动还是以推移质和悬疑质方式进行。

第Ⅴ阶段，随着泥沙浓度的继续增大，水流紊动受到遏制，层移质运动开始出现。如果存在大量的粘性颗粒，水流中的中性悬浮质运动将进一步加强。

第Ⅵ阶段，泥沙悬移运动消失。这时，如果水流中的宾汉极限剪切力很大，以至于水流中最粗颗粒也能转化为中性悬浮质，与水组成一种均质流体，就形成伪一相流。如果水流中较细的颗粒转化为中性悬浮质，而较粗的泥沙继续以层移的形式运动。此时层移运动已扩大到整个流区，两相流处于层流状态，形成粘性泥石流。如果水流中缺少粘性细颗粒，没有中性悬浮质存在，则形成水石流。

随着水流运动的加强和含沙量的提高，泥沙运动呈现不同的运动模式，但是，其内在的运动机理是统一的，即泥沙颗粒与水流之间的相互作用和泥沙颗粒之间的相互作用共同决定了泥沙运动的具体形式。这种运动机理的统一性，为建立高含沙水流运动的动力学模型提供了基础。从泥沙运动的力学机理出发，建立起描述泥沙颗粒与水流作用和泥沙颗粒间作用机理的力学模型，是高含沙水流动力学的研究任务和目标。本章将阐述高含沙水流动力学模型的研究进展。由于伪一相流呈现出宾汉体特征，可以作为一种宾汉流体，用广泛应用的宾汉体模型描述，下文不作介绍。两相流型的高含沙水流运动中，泥沙颗粒与液相水流之间、粗颗粒与浆体之间具有显著的运动差异，需要用两相流模型描述，将是下文的叙述重点。其中，层移质运动形式中，水流(或浆体)紊动微弱，水流(或浆体)施加于层移质的作用力与紊动无关，在两相流的动力学模型中可以作为平均力。因此，层移质运动可近似用不考虑颗粒间流体紊动的快速颗粒流模型来描述，这是第2节的叙述内容。第3节对快速颗粒流模型在高含沙水流中的适用条件作出理论分析。第4节在分析水流紊动与颗粒作用、颗粒与颗粒作用的基础上，建立起适用于高含沙紊流型两相流的动力学模型。在水流(或浆体)紊动消失的条件下，该动力学模型将简化为描述层流中泥沙运动的模型，因而也适用于描述层移质运动和粘性泥石流中的粗颗粒运动。

泥沙运动机理的统一性解析

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