泥沙沉降速度分析.doc

港航103奚惠燕201010413085摘要:在大量参考文献基础上,对泥沙沉降速度及其影响因素进行了综述,讨论了自由沉降和群体沉降速度的计算公式,并将它们统一起来。分析表明,计算沉速的公式虽然不少,但不是精度不够,就是结构繁琐。从实用观点来看,张瑞瑾公式可以同时满足各流区的要求,是表达泥沙沉速的可用公式。为使沉降速度公式更加完善,有关泥沙沉降速度的试验研究仍有待于进一步加强。关键词:泥沙;沉降速度;影响因素;计算公式1单颗粒泥沙沉速泥沙颗粒在静水中下沉时,它的运动状态与沙粒雷诺数Re=Wod/v有关,此处M为清水的运动粘度,d及Wo分别为单颗粒泥沙的粒径与沉速。当沙粒雷诺数Re<,泥沙颗粒基本上沿铅垂线下沉,附近的水几乎不发生紊乱现象,这时的运动属于层流状态,浑液面沉速符合均匀沉降的特点。当沙粒雷诺数Re>1000时,泥沙颗粒脱离铅垂线以极大的紊动状态下沉,附近的水产生强烈的绕动和涡动,这时的运动属于紊流状态,浑液面沉速符合压缩沉降的特点。<Re<1000时,泥沙颗粒的下沉处于过渡状态,浑液面沉速符合过渡沉降变化的特点。表达单颗粒泥沙沉降速度的公式是张瑞瑾从过渡区的动力平衡方程式出发而导出的:式中γs为泥沙容重,C为清水容重,c1及c2是按实测资料确定的无因次系数。参照各家资料,用C1=13195,C2=1109代入(1)式可得经实测资料的验证表明,式(2)可以同时满足层流区、紊流区及过渡区的要求。也就是说,式(2)是表达泥沙沉降速度的通用公式。这是因为:由层流状态到紊流状态的过渡不是突然完成,而是逐渐完成的。由式(2)可以看出:如温度不变,当粒径增大时,属于滞性阻力作用的影响会逐渐减小,并当粒径d趋于临界值后,滞性因素的作用可以忽略不计,这时只有紊动阻力的因素起着决定作用。当粒径d减小时,两种阻力的作用关系与上述情况正好相反。从而又可得到简化的层流及紊流沉速公式:如果用C1=6,C2=2/3代入式(1)可得到鲁比沉速公式,它适用于细颗粒泥沙(此时公式的形式实际为Stokes的球体沉速公式),而用于粗颗粒泥沙时,所得沉速明显偏小。2泥沙群体沉速高浓度下粘性泥沙的沉降属于群体沉降的性质。关于群体沉降的沉速公式的研究,从机理上大致可以分为两类。一种是以Micliaels和Bolger为代表采用修订过的Richardson型公式。Richardson曾从量纲分析入手,根据高浓度的沉降阻力类似渗流阻力的物理图案出发,成功地导得无粘性泥沙高含沙浓度对沉速影响的公式:式中w表示体积含沙浓度为Sv时的群体泥沙沉速;m为指数,据Richardson等人的试验研究,在层流区,m取值为4165;郭慕孙等人则认为m为4191;而钱宁等人在试验中发现m并非常数,而与雷诺数有关,且随着雷诺数的提高而减少,最小时为2125;王兆印等人的试验表明,m为710~715。由此可见,m值变化很大,使得式(5)的应用受到很大的限制。此外,该式的结构形式也存在着缺点。当Sv=1时,X才达到零,而事实上不不可能达到1,因为当泥沙浓度接近其极限含沙浓度Svm=014~0164时,颗粒与颗粒已经直接接触,此时沉速已经为零。这说明浓度越大,群体沉降速度越大。而Richardson通过一个修正系数B(由粘性泥沙种类和结构所决定)来弥补式(5)形式上的不足,所得公式为:另一类