資源描述：
《水流剪切對細(xì)顆粒泥沙絮凝作用實(shí)驗(yàn)研究的綜述.pdf》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、泥沙研究2010年8月JournalofSedimentReseareh第4期水流剪切對細(xì)顆粒泥沙絮凝作用實(shí)驗(yàn)研究的綜述．朱中凡，趙明，楊鐵笙(清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084)摘要：綜述了實(shí)驗(yàn)揭示的水流剪切條件與絮團(tuán)特征參數(shù)(尺寸、分形維數(shù))之間的關(guān)系，總結(jié)了同向絮凝的機(jī)理研究，并就絮凝實(shí)驗(yàn)研究過程中的一些問題提出了建議。關(guān)鍵詞：水流剪切；泥沙；絮凝；實(shí)驗(yàn)；綜述中圖分類號：TV142文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：0468—155X(2010)04~073—081引言在一定的物理和化學(xué)條件下，表面帶有電荷的粘性細(xì)顆粒泥沙在三種原因(布朗運(yùn)動、水流剪切
2、、差異沉降)引起的碰撞、接觸中，由于微觀短程力的作用會粘結(jié)形成大小、形態(tài)各異的絮團(tuán)，甚至相互搭接成類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(絮網(wǎng))“。這一現(xiàn)象稱為絮凝。其中由于水流剪切作用引起的絮凝有時也稱同向絮凝。粘性細(xì)顆粒泥沙絮團(tuán)和絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)的存在改變了水沙懸液的粘性和泥沙的沉降、起動、及輸移特征。在河口海岸水域環(huán)境中，由于受徑流、潮流、鹽淡水交匯等諸多因素的影響，泥沙顆粒同向絮凝強(qiáng)烈，大量細(xì)顆泥沙絮團(tuán)在近底處相互鍵結(jié)，進(jìn)而形成高濃度的類凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，工程上稱為混濁帶或浮泥層。它容易形成攔門沙，妨礙正常的船只航運(yùn)。因此在開展富含粘性細(xì)顆粒泥沙的航道、河口、水庫、湖沼、海岸等工程研究中，絮凝發(fā)育研究
3、往往是其中的重點(diǎn)。影響泥沙絮凝作用的因素很多(如顆粒粒徑、泥沙質(zhì)量密度、泥沙濃度、電解質(zhì)濃度、陽離子化合價、水溫、水流剪切強(qiáng)度等)，想要單純地研究水流剪切對絮凝作用的影響則必須保持其它影響因素在絮凝過程中始終不變。本文中的綜述對象正是在這些因素保持恒定的情況下，實(shí)驗(yàn)揭示的水流剪切條件與絮團(tuán)特征參數(shù)(尺寸、分形維數(shù))之間的關(guān)系及其機(jī)理分析。2絮凝動力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究2．1剪切絮凝過程中絮團(tuán)粒徑的變化2．1．1確定水流剪切條件下絮團(tuán)粒徑隨時間的變化在恒定剪切條件下，水流中粘性細(xì)顆粒泥沙形成的絮團(tuán)，其中值粒徑d?會隨著絮凝時間t的延續(xù)呈現(xiàn)出明顯的階段性變化規(guī)律，既先迅速增加，后緩慢增加
4、，最終達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。一個合理但尚未嚴(yán)格充分證實(shí)的解釋是：絮凝初期，水流剪切對小粒徑顆粒聚集的促進(jìn)作用占主導(dǎo)地位，隨著絮凝時間的增長，絮凝發(fā)育旺盛，產(chǎn)生越來越多的大絮團(tuán)，絮團(tuán)中值粒徑迅速增大。這些大絮團(tuán)結(jié)構(gòu)松散，孔隙率高，易為水流剪切破壞，一定時間后，水流剪切對絮凝的抑制作用開始顯現(xiàn)出來，中值粒徑增大速率收稿日期：2008-06_09基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50679032)作者簡介：朱中凡(1985一)，男，湖北荊州人，碩士，主要從事泥沙絮凝方面的研究。73變緩。對各級絮團(tuán)而言，當(dāng)形成速率和破壞速率相當(dāng)時，絮團(tuán)發(fā)育達(dá)到一個平衡狀態(tài)，穩(wěn)定的絮團(tuán)級配分布出現(xiàn)，中
5、值粒徑表現(xiàn)為常數(shù)。絮凝發(fā)育平衡狀態(tài)的絮團(tuán)粒徑分布是絮團(tuán)生長與破裂平衡的結(jié)果，與剪切過程和剪切環(huán)境有關(guān)。Schumann¨觀察到當(dāng)絮凝過程經(jīng)歷較長時間后，如果對粒徑分布函數(shù)作某些變換。則隨時間的增長其形狀并不會發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱為粒徑分布的自相似(self—similarity)現(xiàn)象。Swift和Friedlander[15]對自相似粒徑分布給出了如下表達(dá)式n()=j中(l＼4,1／I式中：凡()為t時刻級絮團(tuán)的顆粒數(shù)量濃度；N為t時刻所有級別絮團(tuán)的顆粒數(shù)量濃度總和；Vi為i絮團(tuán)的體積；為初始時刻顆粒的數(shù)量濃度，為自相似粒徑分布函數(shù)，隨著絮凝時間的增長并不發(fā)生變化。Koh、
6、Spicer’在各自的實(shí)驗(yàn)中觀察到了絮團(tuán)粒徑分布的自相似現(xiàn)象；而且，Coufort17]發(fā)現(xiàn)形成的絮團(tuán)粒徑分布為單峰形態(tài)，能用對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)來表示。Biggs也發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)時的淤泥絮團(tuán)顆粒粒徑分布為對數(shù)正態(tài)分布，并且隨著絮凝的進(jìn)一步發(fā)育，粒徑分布朝大粒徑方向發(fā)展而且曲線形狀變窄，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行50分鐘后就不再隨時間變化了。2．1．2不同水流剪切條件下絮團(tuán)粒徑的變化剪切強(qiáng)度的改變促使絮團(tuán)粒徑分布從一種穩(wěn)態(tài)向另一種轉(zhuǎn)變?？紤]不同水流剪切條件對絮凝發(fā)育的影響，刻畫絮團(tuán)特征變化的參數(shù)為穩(wěn)態(tài)時的絮團(tuán)中值粒徑d而描述水流剪切狀況的參數(shù)為流速梯度G(或耗散率8、剪切強(qiáng)度r、流速u)。d與G呈
7、單一關(guān)系，表1歸納了實(shí)驗(yàn)揭示的一定初始顆粒濃度條件下絮團(tuán)粒徑與水流剪切強(qiáng)度之間的變化關(guān)系，各家實(shí)驗(yàn)盡管材料、剪切環(huán)境不同，但其結(jié)論都可以歸納為：隨著G的增加，d，會減小或d?=cG(c、m為非負(fù)系數(shù))。即隨著剪切強(qiáng)度增加，絮團(tuán)尺度會降低。這樣當(dāng)流速梯度為0時絮團(tuán)粒徑會趨于無窮大，這顯然與試驗(yàn)結(jié)果矛盾。Colomer¨注意到Parker、Galil、Oles、Serra、Biggs和Lant等人的研究中平均流速梯度G都大于20s～，他著重研究了流速梯度G較小時絮團(tuán)粒徑的變化，對所有濃度的顆粒，G的增加使得顆粒絮凝加強(qiáng)
