均勻切變水流對黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝的影響研究-論文.pdf

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1、水利學(xué)報(bào)2012年l0月SHUILIXUEBA0第43卷第1O期文章編號：0559—9350(2012)10—1194—08均勻切變水流對黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝的影響研究柴朝暉，楊國錄’2陳萌1t余明輝(1．武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430072；2．武漢大學(xué)一宇星公司水利環(huán)境工程技術(shù)研究中心，湖北武漢430072)摘要：黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝是河流動力學(xué)中一個(gè)重要且尚未完善的研究課題。本文以分形聚集生長理論為基礎(chǔ)，考慮了絮團(tuán)破碎、泥沙濃度等因素的影響，使用三維無網(wǎng)格方法，在MATLAB平臺上通過模擬泥沙顆粒和絮團(tuán)在布朗運(yùn)動、重力沉降和均勻切變水流作用下的

2、碰撞黏結(jié)過程，研究了水流剪切作用對黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝的影響。研究結(jié)果表明：水流作用可提高顆粒之間的碰撞幾率，促進(jìn)絮凝，但高水流剪切力作用下絮團(tuán)破碎現(xiàn)象明顯，因此，水流速度梯度的大小對細(xì)顆粒泥沙的絮凝有一定的影響，即絮凝速度及絮團(tuán)平均粒徑隨水流流速梯度的增大呈先增后減的規(guī)律；均勻切變水流作用下，絮團(tuán)粒徑分布均勻化，絮團(tuán)在垂直水流方向上發(fā)育較好且分形維數(shù)較大。本文研究成果是進(jìn)一步研究天然河道中黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝機(jī)理的成功嘗試。關(guān)鍵詞：黏性細(xì)顆粒泥沙；均勻切變水流；三維模擬；速度梯度；分形維數(shù)中圖分類號：TV149．2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1研究背景黏性細(xì)顆粒泥沙一般是黏土、淤泥及有機(jī)物和

3、水的混合物，由于粒徑較小、電化學(xué)性質(zhì)和生物化學(xué)作用顯著，黏性細(xì)顆粒泥沙會黏結(jié)形成絮團(tuán)一起運(yùn)動。泥沙絮凝改變了泥沙的沉降性能，影響河床的沖淤變化，而且泥沙絮團(tuán)疏松多孔的結(jié)構(gòu)在一定程度上影響著水體中污染物的釋放和遷移。因此，在黏性細(xì)顆粒泥沙含量較高的河口、湖泊泥沙運(yùn)動及工程泥沙問題中，絮凝研究是一個(gè)重要的研究課題。絮凝過程主要包括顆粒之間的碰撞和黏結(jié)，布朗運(yùn)動、重力沉降和水流剪切作用是引起泥沙細(xì)顆粒發(fā)生碰撞的主要作用力，影響著黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝。關(guān)于布朗運(yùn)動和重力沉降對黏性細(xì)顆粒泥沙絮凝影響的研究較多，包括室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬。而關(guān)于水流剪切作用對絮凝影響的研究，大多數(shù)是機(jī)械攪拌

4、作用下的室內(nèi)試驗(yàn)，如xu等使用鋁鹽作為絮凝劑研究了剪切力對細(xì)顆粒絮凝的影響；Serra等研究了不同剪切裝置對絮凝的影響；雖然Son等、Winterwerp等學(xué)者通過數(shù)值模擬研究了水流作用下細(xì)顆粒泥沙的絮凝，但均是基于Smoluchowski絮凝動力學(xué)方程進(jìn)行模擬，只能研究某個(gè)變量隨時(shí)間的變化規(guī)律，無法了解絮團(tuán)的形成過程及其形態(tài)變化。因此，為了深入研究水流作用對細(xì)顆粒泥沙絮凝發(fā)育過程及絮團(tuán)結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響，本文基于分形聚集理論，利用三維無網(wǎng)格方法，在考慮絮團(tuán)破碎的前提下，模擬了細(xì)顆粒泥沙在布朗運(yùn)動、重力沉降及均勻切變水流作用下的絮凝發(fā)育過程，最后根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果探討了均勻切變水流

5、對細(xì)顆粒泥沙絮凝速度、絮團(tuán)尺寸及結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。收稿日期：2011-09—06基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)科學(xué)研究(973)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2Ol1CB403300)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11072180)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2O122O6O20202)作者簡介：柴朝暉(1986一)，男，河北魏縣人，博士生，主要從事泥水環(huán)境研究。E-mail：a3515522@126．com—l194—2三維無網(wǎng)格模型基于絮體分形聚集成長模型，在MATLAB平臺上模擬了黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝。模型中假設(shè)初始泥沙顆粒為球形，且均一分布。模擬在40d。x40dox100d(為泥沙初始粒

6、徑)的長方體區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。程序運(yùn)行前，由自編的子函數(shù)將泥沙顆粒隨機(jī)均勻分布在模擬區(qū)域內(nèi)，并生成數(shù)據(jù)文件，通過調(diào)用此數(shù)據(jù)文件保證程序每次運(yùn)行時(shí)泥沙顆粒的初始位置相同，從而使模擬結(jié)果更具可比性。由于河口地區(qū)鹽度較高，泥沙顆粒雙電層較薄，勢壘較小，因此對于泥沙顆粒(絮團(tuán))之間的碰撞和黏結(jié)，文中采用分形聚集生長模型中的模擬方法，即：當(dāng)顆粒(絮團(tuán))之間的距離小于某一定值時(shí)，顆粒(絮團(tuán))之間即發(fā)生碰撞，碰撞后黏結(jié)成一個(gè)絮團(tuán)，其后，該絮團(tuán)作為一個(gè)整體運(yùn)動，與其他顆?；蛐鯃F(tuán)繼續(xù)碰撞黏結(jié)；對于剪切力作用下的絮團(tuán)破碎，其破碎后生成的絮團(tuán)有3種形式：2個(gè)尺寸相近的子絮團(tuán)、3個(gè)尺寸相近的子絮團(tuán)和呈正態(tài)

7、分布的子絮團(tuán)，且這3種破碎方式對絮凝后絮團(tuán)性質(zhì)的影響差別不大，因此模型中采用較為簡單的第1種方式，即生成2個(gè)尺寸相似的子絮團(tuán)，破碎位置則通過計(jì)算2個(gè)子絮團(tuán)的粒徑及其在3個(gè)方向上的發(fā)育情況確定。為了保證模擬區(qū)域內(nèi)泥沙質(zhì)量守恒及提高模型的真實(shí)性，模型水平和】，方向上采用周期性邊界，也就是說，當(dāng)泥沙顆?；蛐鯃F(tuán)在水平(和l，)方向上運(yùn)動出模擬區(qū)域時(shí)，則從其相反的界面重新進(jìn)入；豎直z方向上采用沉積性邊界，所謂沉積性邊界是指顆?；蛐鯃F(tuán)會在底部沉積，不會運(yùn)動出模擬區(qū)域。當(dāng)顆?；蛐鯃F(tuán)沉降到底部時(shí)，保持其前一時(shí)刻的位置和