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1、水利學(xué)報2002年10月SHUILIXUEBAO第10期文章編號:05599350(2002)10005106泥沙起動流速研究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)國家重點實驗室,四川成都610065;2蘭州鐵道學(xué)院,甘肅蘭州730070)摘要:從泥沙起動的特點出發(fā),將瞬時作用流速、起動標準、泥沙顆粒在床面的相對暴露度及附加質(zhì)量力等影響因素同時引入到推移質(zhì)泥沙起動中,使分析泥沙起動時考慮的因素更加全面。采用經(jīng)典力學(xué)與統(tǒng)計理論相結(jié)合的方法,得到了泥沙起動無量剛切應(yīng)力公式。并對公式中的系數(shù)進行了數(shù)
2、值計算。結(jié)果表明,該系數(shù)并非為一個常數(shù),而是在一定的范圍內(nèi),且隨床面上顆粒的相對暴露度而變。同時,還得到了概括散粒體和粘性細顆粒泥沙的統(tǒng)一的均勻沙起動流速公式的上、下限。說明其系數(shù)也是在一個區(qū)間取值。關(guān)鍵詞:泥沙;臨界切應(yīng)力;起動流速中圖分類號:TV142文獻標識碼:A泥沙的起動條件是泥沙運動力學(xué)研究中最基本的問題之一。有關(guān)推移質(zhì)泥沙起動規(guī)律問題,國內(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流速公式已在100個左右。就天然均勻沙11起動公式來說,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。這使得人們在實際使用時,增加了一定的難度。對非均勻沙來說,盡管各家公式基本上都通過了理論分析及實測資料的驗證,但公式在形式及計算結(jié)果上相差較大,使人們在選擇應(yīng)用時,同樣增加了一定難度;與此同時,對有些問題不能作出合理的解釋。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,主要是對泥沙起動機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長科院[1]434張瑞謹[2]539沙莫夫[2]460華國祥[1]543劉興年[3]462唐存本[2]6171泥沙起動機理探討11泥沙起動中存在的問題
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的,故泥沙起動具有隨機性。最早將起動作為一個隨機事件進行研究的是Einstein(1950)。在此之前,通常以臨界起動無因次切應(yīng)力c或臨界起動流速Vc作為判別床面泥沙起動的標準,并將起動現(xiàn)象作為一個確定性的問題來研究。當水流拖曳力或水流流速大于臨界拖曳力或臨界起動流速時,床面上的泥沙顆粒將起動,從起動的平均情況來說,這是正確的。但進一步的研究表明,在水流小于起動臨界條收稿日期:20010717基金項目:國家自然科學(xué)基金和水利部聯(lián)合資助重大項目(59890200);九五課題資助(95-
5、5-4)作者簡介: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,床面上就有泥沙起動;而在水流大于起動臨界條件時,床面上還存在沒有起動的泥沙,這是因為上述確定性處理方法將起動問題作為一個必然事件來研究,實際上床面泥沙起動是隨機的。12泥沙起動標準研究起動現(xiàn)象既然是隨機的,那必然存在一個起動概率問題。流速ub這個隨機變量,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分別為水流瞬時底速、瞬時平均底速及瞬時底速均方差。由文獻[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和竇國仁的作法,按表2的關(guān)系分別定義了弱動、中動、普遍及強烈運動4種起動狀態(tài)。表2起動狀態(tài)與流速及起動概率的關(guān)系起動級別起動狀態(tài)瞬時底速ub取值概率P1弱動3ubub+3ub000142中動2ubub+2ub002283普動1ubub+ub015854強動0ubub05000現(xiàn)有公式大多是將隨機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試驗資料來率定,而判別起動的標準則大體上定為部分
7、床面上有很少的泥沙在運動,即弱動。2受力分析及起動模式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暴露度而產(chǎn)生的附加質(zhì)量力FM,其表達式定義為:dmax3dj3dmFM=M
