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1、水利學(xué)報(bào)2002年10月SHUILIXUEBAO第10期文章編號(hào):05599350(2002)10005106泥沙起動(dòng)流速研究1,2111何文社,方鐸,楊具瑞,曹叔尤(1四川大學(xué)高速水力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610065;2蘭州鐵道學(xué)院,甘肅蘭州730070)摘要:從泥沙起動(dòng)的特點(diǎn)出發(fā),將瞬時(shí)作用流速、起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、泥沙顆粒在床面的相對(duì)暴露度及附加質(zhì)量力等影響因素同時(shí)引入到推移質(zhì)泥沙起動(dòng)中,使分析泥沙起動(dòng)時(shí)考慮的因素更加全面。采用經(jīng)典力學(xué)與統(tǒng)計(jì)理論相結(jié)合的方法,得到了泥沙起動(dòng)無量剛切應(yīng)力公式。并對(duì)公式中的系數(shù)進(jìn)行了數(shù)
2、值計(jì)算。結(jié)果表明,該系數(shù)并非為一個(gè)常數(shù),而是在一定的范圍內(nèi),且隨床面上顆粒的相對(duì)暴露度而變。同時(shí),還得到了概括散粒體和粘性細(xì)顆粒泥沙的統(tǒng)一的均勻沙起動(dòng)流速公式的上、下限。說明其系數(shù)也是在一個(gè)區(qū)間取值。關(guān)鍵詞:泥沙;臨界切應(yīng)力;起動(dòng)流速中圖分類號(hào):TV142文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A泥沙的起動(dòng)條件是泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究中最基本的問題之一。有關(guān)推移質(zhì)泥沙起動(dòng)規(guī)律問題,國(guó)內(nèi)外已有許多研究。到目前為止,所提出的無粘性顆粒的起動(dòng)流速公式已在100個(gè)左右。就天然均勻沙11起動(dòng)公式來說,各式在形式上差別不大,大多為V36c=kdh,現(xiàn)將部分研究者所得公式中的系數(shù)值列于表1,可見
3、其系數(shù)取值離散度較大。這使得人們?cè)趯?shí)際使用時(shí),增加了一定的難度。對(duì)非均勻沙來說,盡管各家公式基本上都通過了理論分析及實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證,但公式在形式及計(jì)算結(jié)果上相差較大,使人們?cè)谶x擇應(yīng)用時(shí),同樣增加了一定難度;與此同時(shí),對(duì)有些問題不能作出合理的解釋。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,主要是對(duì)泥沙起動(dòng)機(jī)理探討的還不夠完善。表1流速公式系數(shù)比較作者系數(shù)k作者系數(shù)k盧金友[1]382秦榮昱[1]490長(zhǎng)科院[1]434張瑞謹(jǐn)[2]539沙莫夫[2]460華國(guó)祥[1]543劉興年[3]462唐存本[2]6171泥沙起動(dòng)機(jī)理探討11泥沙起動(dòng)中存在的問題
4、由于泥沙顆粒處于床面的位置及作用在顆粒上的水流速度等是隨機(jī)的,故泥沙起動(dòng)具有隨機(jī)性。最早將起動(dòng)作為一個(gè)隨機(jī)事件進(jìn)行研究的是Einstein(1950)。在此之前,通常以臨界起動(dòng)無因次切應(yīng)力c或臨界起動(dòng)流速Vc作為判別床面泥沙起動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn),并將起動(dòng)現(xiàn)象作為一個(gè)確定性的問題來研究。當(dāng)水流拖曳力或水流流速大于臨界拖曳力或臨界起動(dòng)流速時(shí),床面上的泥沙顆粒將起動(dòng),從起動(dòng)的平均情況來說,這是正確的。但進(jìn)一步的研究表明,在水流小于起動(dòng)臨界條收稿日期:20010717基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金和水利部聯(lián)合資助重大項(xiàng)目(59890200);九五課題資助(95-
5、5-4)作者簡(jiǎn)介:何文社(1966-),男,甘肅寧縣人,蘭州鐵道學(xué)院副教授,四川大學(xué)博士生,51件時(shí),床面上就有泥沙起動(dòng);而在水流大于起動(dòng)臨界條件時(shí),床面上還存在沒有起動(dòng)的泥沙,這是因?yàn)樯鲜龃_定性處理方法將起動(dòng)問題作為一個(gè)必然事件來研究,實(shí)際上床面泥沙起動(dòng)是隨機(jī)的。12泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)研究起動(dòng)現(xiàn)象既然是隨機(jī)的,那必然存在一個(gè)起動(dòng)概率問題。流速ub這個(gè)隨機(jī)變量,具有正態(tài)分布,其分布密度f(ub)為:1(ub-ub)f(ub)=exp-22(1)2uubb式中:ub、ub、u分別為水流瞬時(shí)底速、瞬時(shí)平均底速及瞬時(shí)底速均方差。由文獻(xiàn)[4
6、]可知,u=bb037ub。[5][6]從正態(tài)分布的特性可知,ub的不同取值與概率P存在表2所述關(guān)系。參考Kramer和竇國(guó)仁的作法,按表2的關(guān)系分別定義了弱動(dòng)、中動(dòng)、普遍及強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)4種起動(dòng)狀態(tài)。表2起動(dòng)狀態(tài)與流速及起動(dòng)概率的關(guān)系起動(dòng)級(jí)別起動(dòng)狀態(tài)瞬時(shí)底速ub取值概率P1弱動(dòng)3ubub+3ub000142中動(dòng)2ubub+2ub002283普動(dòng)1ubub+ub015854強(qiáng)動(dòng)0ubub05000現(xiàn)有公式大多是將隨機(jī)變量作為常量而建立的。公式中的系數(shù)一般是通過泥沙起動(dòng)試驗(yàn)資料來率定,而判別起動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)則大體上定為部分
7、床面上有很少的泥沙在運(yùn)動(dòng),即弱動(dòng)。2受力分析及起動(dòng)模式21受力分析床面上完全暴露的泥沙顆粒上所受的力一般有水流拖曳力FD、上舉力FL及水下重力W,其表達(dá)式分別為:222ub2ub3FD=CDDdi,FL=CLLdi,W=W(S-)di(2)22式中:D、L、W分別為與水流拖曳力、上舉力及水下重力相應(yīng)的面積系數(shù);CD、CL為拖曳力及上舉力系數(shù);ub為水流作用在床面沙粒上的瞬時(shí)流速;s、分別為泥沙顆粒及水的容重;為水的密度;di為所研究的泥沙顆粒粒徑。群體中具有一定隱暴度的顆粒與床面上完全暴露的單顆粒相比,除考慮上述作
8、用力外,還須考慮由于非均勻沙顆粒的組成及相對(duì)暴露度而產(chǎn)生的附加質(zhì)量力FM,其表達(dá)式定義為:dmax3dj3dmFM=M
