《泥沙运动力学》读书报告

《泥沙运动力学》读书报告课程名称泥沙运动力学姓名学号专业港口海岸及近海工程指导教师提交日期读书报告1第一部分泥沙的沉速泥沙在静止的清水中等速下沉时的速度,称为泥沙的沉降速度(或简称泥沙沉速),它是泥沙的重要水力特性之一。在各种沉淀池的设计计算和生产运用中,在河流、渠道的各种泥沙问题中,泥沙的沉降速度都是一个最重要的,也是一个最基本的参数。因此,研究泥沙问题,无论通过物理模拟(即模型试验),还是通过数值模拟,均应提供可靠的泥沙沉降速度指标。泥沙在液体中的沉速是标志泥沙运动特征的一个重要物理量。在这一部分内容里，将采取由简入繁的方式，详细讨论泥沙的沉降规律以及影响泥沙沉速的各种因素。对一个在无限静止水体中做等速沉降运动的孤立圆球做受力分析，圆球在静水中因受重力W的作用而下沉，在下沉的过程中，要受到水流的阻力F。球体的运动速度较小，重力大于阻力，圆球以加速度前进，球体所承受的阻力在行进中不断加大。当圆球在静水中的重力W等于受到的水流的阻力F，从而可以得到沉速公式。泥沙颗粒在沉降过程中将会带动周围的水体，使水体也发生运动：①当雷诺数小于0.4时，泥沙下沉所引起的水体加速度的作用远小于水流黏滞性的作用，这时，水流的惯性力远小于黏滞力，可以忽略不计；②随着雷诺数的加大，水流的惯性渐趋重要，发生显著黏性变形的区域愈来愈局限于球体表面附近，水流也开始产生分离；③当雷诺数达到2x104时，球体表面边界层内的水流仍属于层流，随着雷诺数的进一步加大，到了个另一个临界状态，边界层内的流态也由层流转变为紊流，水流分离点忽然后移，分离区缩小，区内的压力增大。含沙浓度对沉速的影响[1]：①当一颗沙粒在沉降过程中，将会引起周围的水流也发生运动；②泥沙在沉降中同时带动了周围的液体，液体也伴随向下运动；③大量泥沙颗粒的存在将使浑水的密度加大，从而也使其中每个沙粒所受到的浮力加大，影响它的沉速。紊动对沉速的影响：①由于水流的脉动性质，使作用在沙粒上的外力不能经常保持平衡，再加以涡体的旋转作用，颗粒在沉降中不断打转，不能以最稳定的方位下沉；②由于脉动流速的大小和方向都不断因时因地而改变，使沙粒在沉降中有时受到加速运动，有时又受到减速运动。读书报告2③水流中存在紊动，将使颗粒顶部的分离点位置以及颗粒表面的压力分布发生变化，从而使颗粒所承受的阻力减少或者增大。20世纪90年代,曹如轩、钱善琪等人对高含沙浑水沉降特性及群体沉速的研究又有新的发展,得出含沙量对粗颗粒泥沙沉速的影响规律。他们认为,粗沙高含沙浑水的相对粘性随含沙量增大而增大的规律不及细沙高含沙浑水那样敏感,但即使前者流型为牛顿体时,相对粘性值也不低于2。因为粗沙高含沙浑水的粘土含量小,粒径组成粗,流型转换的临界含沙量大,故泥沙的沉速可忽略非牛顿体的影响。此外,增大含沙量,也增加了泥沙的绕流阻力。当泥沙作群体沉降时,由于粗颗粒泥沙相互碰撞以及粗沙与细沙悬浮质的碰撞,等效于增大了颗粒在沉降方向的阻力,使沉速减小。影响泥沙沉速的因素很多,如含沙量大到一定程度之后,沉速计算公式必须考虑含沙量的影响。这种影响与泥沙粒径的粗细关系甚大;而对于d0.01mm的细颗粒泥沙而言,水质对泥沙沉速的影响是不容忽视的。在此范围内,含沙量对沉速的影响,是和水质对沉速的影响结合在一起而通过絮凝起作用的。由此可见,絮凝作用也是影响泥沙沉速的重要因素。结合各家实测资料分析可得:对于处在分散状态的粗颗粒泥沙,由于不存在絮凝现象,当含沙量从零开始逐渐增大时,沉速将从清水单颗粒沉速开始,逐渐减小。而对于可能发生絮凝现象的细颗粒泥沙则不然,当含沙量从零开始逐渐增大时,沉速将从清水单颗粒沉速开始逐渐增大,当沉速达到一个峰值之后,则将随含沙量的增大而逐渐减小,一直到小于清水单颗粒沉速之后,还继续减小。沉速大于清水单颗粒沉速的阶段,属于絮凝起主导作用的阶段;而沉速小于清水单颗粒沉速的阶段,属于其它几种因素起主导作用的阶段。含沙量的进一步增加,絮凝结构将充分发展和迅速扩大,最后形成一个整体絮凝体的下沉。此外,向上的补偿水流将穿过絮凝结构中的极不规则缝隙曲折上行,使阻力加大,而沉速将进一步减小。这种情况的沉降特点为,只要粒径差别不大,沙粒将被絮凝结构网络在一起,以同一速度下沉。这一阶段可被认为是絮凝再一次起主导作用的阶段。对于粗细颗粒的混合沙,细颗粒的沉降规律和前面讲的基本一致;粗颗粒的沉降规律和前面讲的略有不同。尽管粗颗粒本身在含沙量不是十分大时仍然处于分散状态,但因是在细颗粒构成的介质中下沉,将间接受到浑水粘度的改变及絮凝结构的影响[3]。此外,异重流对泥沙沉速的影响也是不可忽略的因素,目读书报告3前,在这方面的研究工作不够完善,特别是在各种水处理沉淀池中出现的由于进水与池内水的温差或是浓度差所引起的异重流现象还有待进一步研究。第二部分水流的紊动泥沙运动与水流的紊动现象有密切关系。悬移质所以能抗拒重力作用，在垂线上保持一定分布，完全是水流紊动引起上下水团交换的结果。泥沙的起动和推移质运动也与水流紊动引起的床面附近流速、压力的脉动密切相关。通过雷诺数大小来判断水流形态。雷诺数越小，表示黏性的稳定作用远过于惯性作用的破坏作用，水流属于层流范围；如果雷诺数越大，则进入紊流范围。当雷诺数小于2000左右时，水流属于层流；当雷诺数超过10000~12000时，水流进入紊流范围。这部分内容还包括了猝发现象的历史回顾、观测结果及其形成和发展模式。查阅相关水流紊动文献，在弯道紊动强度方面有以下成果[4-7]：(1)紊流核心区内,弯道进口至弯顶段及弯道出口断面,纵、横向相对紊动强度沿垂线分布规律基本符合线性分布,仅不同断面处的斜率和截距有所不同,且由凸岸向凹岸其值逐渐增大;在弯顶至出口段,纵、横向相对紊动强度沿垂线的分布可视为曲线分布,由凸岸向凹岸其值逐渐减小。(2)近壁处z/H0.25,弯道纵、横向相对紊动强度沿垂向的变化率较大,在z/H=0.25处其值达到最大,在床面附近它们有明显的减小趋势.在核心区内,纵、横向相对紊动强度随z/H增大而单调减小,纵向相对紊动强度递减速度大于横向相对紊动强度的递减速度。(3)垂向相对紊动强度始终小于纵、横向相对紊动强度,其值约为前者的一半,说明弯道水流的紊动是各项异性的,其沿水深符合瑞利分布。第三部分沙波运动泥沙的推移及悬移是对单个颗粒泥沙运动形式来说的。当泥沙输移时，推移质颗粒还在河床表面做各种不同形式的集体运动，使床面形态也随着输沙强度的不同而时时都有改变。这种泥沙颗粒在床面的集体运动成为沙波运动。读书报告4沙波的发展消长：沙纹—沙垄—平整—沙浪—急滩与深潭沙纹的起因：①局部扰动所引起的近壁层流层的波动；②床面作用力的平衡条件。对沙纹的形成和演化试验研究，目前只是对其床面可能出现的扰动形式、外部流动条件变化对沙纹演化的影响进行宏观的研究，但水流中大尺度紊动结构和沙纹的形成以及沙纹尺度的关系还需要进一步探讨，特别是扰动产生的紊动结构需要进行定量化研究。基于流动稳定性理论分析，认为小尺度沙纹的形成，主要是由于明渠层流不稳定性波或床面近壁流层中小尺度拟序结构发展演化所致。当床面边界附近扰动波或拟序结构以及水流自身所产生的床面底部剪应力Shields剪应力后,床面即产生动力响应,形成沙纹；如果扰动所产生的扰动剪应力频率接近床面泥沙固有频率,则产生与泥沙颗粒的共振,这种现象也称之为泥沙的检波性质。此时床面发生最大响应,沙纹发展速度也最快。基于修正的弱非线性稳定性理论建立了层流情况下明渠流动沙纹形成机理的数学模型,模拟结果与已有的试验资料进行对照,结果表明模型能在一定程度上揭示沙纹形成的机理。从已有的研究成果可以看出,水流作用下的掀沙过程主要取决于其底部边界层中拟序结构的作用,在泥沙运动未达到悬扬条件时,拟序结构的发展演化直接影响着床面形态,如沙纹的形成和发展。而在达到泥沙悬扬条件时,拟序结构中猝发喷射又对悬移质泥沙的上扬起着强烈的决定作用。对此，需要试验研究拟序结构与床面形态之间的关系,并从理论上来描述层拟序结构的掀沙机理，建立床面形态发展与悬扬过程的力学模式，同时利用流动稳定性理论和湍流的高级数值模拟对水流与泥沙的相互作用进行研究。沙垄及沙浪的成因：有两种不同的考虑，一是把沙垄和沙浪同意作为水流的稳定性问题来处理，二是把沙垄看成是紊动结构的扰动所引起，把沙浪看成是睡眠波动的直接产物。研究沙波运动的意义：①沙波是冲积河流阻力的主要组成部分之一；②沙波的发展消长有时会造成水位—流量关系的异常现象；③根据沙波尺寸及运动条件可以估算推移质输沙率。2008年3月6日至2008年4月9日，在南海北部外陆架与陆坡上的沙波区进行了海底流速的连续观测，观测结果表明潮流与海流较弱，但时有流速达30—77cm·s－1的读书报告5海底强流发生。强流方向与南海北部内波传播方向相对应，多分布在偏NW向与偏SE向。偏SE向流强于偏NW向流，与内波在传播方向上的下坡流大于上坡流的特征一致。对流速序列进行了旋转功率谱分析结果表明，高于M2分潮的频率中，众多的振荡分量具有内波流性质，说明阵发性强流为内波所致。采用观测流速计算了沙波的移动速度，计算结果得出强流能起动海底泥沙，由于NW向传播（上坡方向）的内波导致了SE向（下坡方向）的净流动，沙波偏SE向移动，但沙波移动速度不大，小型沙波移动速度小于1．6m·a－1。采用潮流、风暴潮耦合模型计算了强台风驱动的海底流速过程，表明潮流、风暴潮耦合也能移动海底沙波，但沙波移动方向与台风路径相关，不一定为SE向，且移动距离更小，潮流、风暴潮耦合不是沙波移动的主要动力机制[8]。沙波分布区域油气资源丰富，油井众多，沙波的移动能对海底油管造成隐患，因而沙波的稳定性受到了广泛的关注。对于调查海域沙波的稳定性已有较多的分析，但对沙波移动的动力机制与移动方向尚没有统一的结论。冯文科等、王尚毅等根据少量的底流观测资料，计算得出沙波在底流作用下缓慢向海移动，认为潮流与海流是动力条件。陈鸣分析了底流与台风浪耦合作用下的沙波稳定性，得出底流与波浪难以起动海底泥沙，沙波稳定。王文介定性分析潮流与内波是沙波形成的动力条件，吴建政等则认为潮流与风暴潮的耦合作用才能起动泥沙，由于落潮流是SE方向，所以沙波向海移动。彭学超等也认为潮流与海流是沙波移动的动力条件，但彭学超等认为沙波向岸（NW向）移动。由于目前对沙波的移动没有进行直接观测，分析沙波的稳定性尚依赖于流速资料。现有研究工作中所用的流速观测资料较少，难于确定海底强流的性质，因而并不能确定沙波移动的动力原因。到目前为止，在南海北部陆坡海域的流速观测尚不多。1988年3月珠江口外东南约200km，水深300m处的连续观测流速中，50、100、200和300m层的平均流速都小于15cm·s－1，这样的平均流速是不能起动海底泥沙的。但观测流速中时有强流发生。方文东等分析东沙群岛附近海域观测的海流后，得出突发性强流有孤立内波与内潮特征。邱章等也同样观测到了东沙群岛附近的内潮及内波。Hsu等、Zhao等采用卫星影像分析了南海北部内波波包的分布，发现南海北部海域是一个内波活动频繁的海域。陆坡上的内波对泥沙运动作用极大，Cacchione在实验中发现向岸传播的内波能起动陆架与陆坡的泥沙。Holloway等在倾斜地形上的内波传播数值试验及观测结果中，内波产生的流在底部受到强化，与传播方向相同的上坡流小于下坡流。Noble等在陆坡海域的观测中，同样发现非性内潮在海底产生强流，能起动泥沙并产生泥沙的向海读书报告6净输送。海底沙波的形成与内波活动的关系早已发现。张兴阳等在国内外研究基础上，总结了内波对沙波形成与迁移的作用。鉴于陆坡上内波对泥沙运动的作用，对于南海北部陆架及陆坡上沙波移动的动力机制，内波应是值得重视的因素。2008年3—4月，国家海洋局南海工程勘察中心在沙波分布区域进行了底流的长期连续观测，为了解海底强流的性质及更好地计算沙波移动速度提供了基础资料。本文对海底观测流速进行了统计分析与旋转功率谱分析，得到海底强流具有内波的性质。与河道内的全水深的单向流不同，内波流在密度跃层上下流向是相反的，