水流紊動對泥沙絮凝影響的研究綜述

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

水流紊動對泥沙絮凝影響的研究綜述

張凌越

(重慶交通大學河海學院重慶400074)

細沙絮凝規律的研究是一個復雜的問題，本文對紊動作用對絮團的沉降速度，絮團的粒徑以及絮凝時間的影響三方面進行了總結。經過對國內外專業相關文獻的調研，可以得出的大體結論是水體紊動對絮凝起促進作用，當達到某一臨界值后，隨著紊動強度的增加，水體的紊動對絮凝起破壞作用。

紊動；絮凝；粘性泥沙

在河口海岸環境中，粘性泥沙的絮凝造成航道淤積，阻礙航道內船只的正常航行。因此對于細顆粒粘性泥沙絮凝規律的研究十分重要。絮團是液體中的介質在布朗運動、差速沉降、水流紊動等條件下引起碰撞、接觸，使得一定比率的顆粒粘結在一起而形成的，這一過程稱之為絮凝[1][2]。影響泥沙絮凝的因素有很多，水流的紊動作用是影響泥沙絮凝的重要因素[3]。本文對國內外關于水流的紊動作用對絮凝各方面的影響進行回顧和總結。

一、紊動對絮凝的影響

(一)紊動對泥沙絮凝沉速的影響

早期工程設計中水流的攜沙能力一般采用泥沙的靜水沉速。顯然泥沙在紊動水流中采用靜水沉降速度不合適，嚴鏡海[4]分析計算了對于潮汐水流紊動作用下的泥沙沉速：[4]

(1)

(2)

(3)

J.C.Winterwerp[5]等通過拉格朗日模型，推導出在紊動條件下絮凝沉速的啟發性公式：

(4)

其中h，t，c為沉積參數，絮團的物理參數D0，m，nf；k2k3k4為經驗系數。m，nf可以單獨確定。該模型預測的結果和實際測量的結果的相對誤差在30%至50%之間，雖然誤差稍微有些大，但趨勢基本正確。

上述研究主要是宏觀上的模擬和研究；張金鳳[6]等人運用LB方法建立三維數值模型，從微觀尺度模擬水流和泥沙的運動，發現在紊動剪切率G=200s-1之前隨著紊動剪切率的增加，沉速不斷地增加，而在紊動剪切率G=200s-1之后，隨著紊動剪切率的增加而減小。

(二)紊動對泥沙絮凝時間的影響

張金鳳[6]等利用三維數值模型發現3.75s時第一個絮團形成，隨著紊動剪切率不斷增加，形成絮團的時間越短，同樣分界點為G=200s-1，當超過了這個臨界點時，絮團形成的時間變長，隨著紊動作用的增強，絮團個數減少，絮團破裂。

柴朝暉[7]等利用matlab編程模擬細沙的絮凝過程，研究了不同紊動強度下絮凝速度的變化規律和豎直方向上絮凝速度在空間上的變化。發現絮凝速度隨時間的變化規律可以分為加速階段，等速階段，減速階段；在等速階段絮團個數隨著紊動強度的增加先增加后減小；在紊動強度比較小的時候，紊動強度的增加促進泥沙顆粒之間的碰撞，此時切應力比較小，促進絮凝，在紊動強度不大的時候，等速階段絮凝時間稍微長一些；反之隨著紊動作用的增強，絮團開始破裂，更快進入減速階段。其中紊流主要是在等速階段作用時間不同，影響粘性泥沙的絮凝過程[7]。

沿豎直方向上，將研究區域劃分成上、中、下三個區域。當其他條件相同時，中部區域較早地進入穩定階段，下部區域與上部區域泥沙絮凝速度的情況基本相同。

(三)紊動對絮團粒徑的影響

喬光全等[8]利用格柵紊流實驗對泥沙絮凝過程進行了模擬。發現絮團粒徑隨著紊動強度的增大呈現先增大在減小的趨勢。同時他們還對比了淡水和鹽水中對絮團粒徑的影響，即鹽度較大的水體中絮團的粒徑比淡水中的絮團粒徑要大。

同樣柴朝暉[7]對于絮團粒徑的空間變化也做了研究和分析。下部區域：紊動作用較小時，促進絮團生成，絮團的平均粒徑隨著紊動強度的增加而增加，但是隨著紊動強度不斷增加，平均粒徑開始減小。絮凝過程中平均粒徑隨時間的變化過程也分為三個階段：加速增長階段，勻速增長階段，減速增長階段。主要考慮勻速增長階段，剛開始紊動作用使泥沙顆粒發生碰撞發生粘結，紊動切應力對絮團的破壞不太明顯，中部區域和上部區域絮團的平均粒徑相差不大，水流縱向時均流速垂向分布呈指數分布，因此下部區域的流速比較小，中部及上部區域流速相差不大。隨著紊動作用增強，相應的對絮團的破壞作用增強，中部區域的絮團破壞較大，粒徑分布范圍較窄，故中部區域的絮團的平均粒徑最小。最終穩定后，中部區域的絮團平均粒徑最小，上部區域的絮團平均粒徑最大，下部區域絮團的平均粒徑介于上部區域和中部區域之間。

二、結論

本文主要是對國內外關于水流的紊動作用對絮凝各方面的影響進行回顧和總結。針對紊動作用對絮團的沉降速度，絮團的粒徑以及絮凝時間三方面的影響進行總結。迄今為止研究分析表明的水體紊動對泥沙絮凝的影響基本一致的，即低紊動促進，高紊動破壞。

[1]楊鐵笙，熊陽忠，詹秀玲，楊美卿.粘性細顆粒泥沙絮凝研究概述[J].水利水運工程學報,2003,(2):65-77.

[2]張慶河，王殿志，趙子丹等.粘性泥沙絮凝研究評述(1):絮凝機理與絮團特性[J].海洋通報,2001,20(2):80-90.

[3]楊美卿,錢寧.紊動對細泥沙漿液絮凝結構的影響[J].水利學報,1986,(8):21-30.

[4]嚴鏡海.潮汐水流中細顆粒泥沙絮凝沉降的初步探討[J].泥沙研究,1988,(4):10-22.

[5]Winterwerp J.C，Manning A.J，Martens C，et al.A heuristic formula for turbulence-induced flocculation of cohesive sediment[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science,2006,68(1/2):195-207.

[6]張金鳳，張慶河，喬光全.水體紊動對黏性泥沙絮凝影響研究[J].水利學報,2013,44(1):67-82.

[7]柴朝暉，楊國錄，余明輝等.紊流對粘性細顆粒泥沙絮凝影響[J].水科學進展,2012,23(6):808-814.

[8]喬光全，張金鳳，張慶河等.紊動對黏性泥沙絮凝沉降印象的實驗研究[J].天津大學學報,2014,47(9):811-816.