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1.
河流泥沙运动的主要形式有沿床面滚动、跳跃和悬浮。此外在个别条件下可能发生滑动(当床面光滑时)和床面成层移动(当水流强度很大时)。悬浮运动的泥沙称为悬移质;滚动、滑动、跳跃、层移的泥沙称为推移质。推移质运动是由底部水动力和颗粒碰撞所引起,只发生在床面附近的区域(底层)内。1.泥沙起动当水流速度由小增大到一定数值后,床面上原来静止的个别泥沙,或因其粒径较细,或由于其位置突出,再碰上较大的纵向瞬时流速,就开始滚动。此时这种泥沙处于起动状态;而相应的水流时均速度则称为该类泥沙的起动流速。泥沙起动流速关系到开始测验推移质的时机,不冲渠道的设计、河床冲刷的极限深度,以及截流和抢险抛石的尺寸等等,故有重要的实用意义。泥沙起动时所受的作用力有:水流正面推力 P= 相似文献
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为研究植被环境中床面泥沙起动特性,以天然河道中的植被及沙床为原型,对刚性植被环境中床面形态变化及泥沙起动规律进行了试验研究,并采用单位床面空间平均流速表述植被环境中泥沙的起动流速。研究结果表明,淹没植被条件下动床床面泥沙运动可分为3个阶段,即静止、部分起动及全部起动阶段,定义第3个阶段为刚性植被环境中泥沙起动的标准;推导的淹没刚性植被环境中的泥沙起动流速半经验函数关系式可以表述植被环境中泥沙起动特性,其中植被因子Fv对泥沙起动的影响最明显;植被密度一定时,植株周围冲坑深与空间平均流速成线性关系。研究认为采用植被环境中单位床面空间平均流速表述泥沙起动特性的方法是可行的。 相似文献
3.
为了通过实验测量泥沙起动概率,基于封闭槽道内开展的泥沙起动实验,系统论述了基于高速摄影的起动概率测量方法所涉及的起动概率定义、相机采样频率、图像处理方法、起动比例与运动比例的关系等关键问题.根据泥沙在水流紊动猝发作用下起动的物理机制,定义实测起动概率为单个紊动猝发周期内,从一定面积床面上冲刷外移的泥沙比例.根据推移质运动概念模型,提出高速图片拍摄间隔应小于推移质运动的中间时间尺度,以捕获泥沙的每一次起动.在高速图像处理时,通过连续两帧图片之间的灰度差实现运动比例的无偏差提取.进一步分析表明,运动泥沙可处于起动、止动或滑翔状态,运动比例等于起动比例、止动比例和滑翔比例之和,起动比例与运动比例之比等于两张图片之间的时间间隔除以推移质运动的中间时间尺度.基于上述关键技术,将高速摄影测量方法用于泥沙起动概率的测量,结果表明,临界起动水流条件时,床沙处于少量起动现象,对应的临界起动概率与窦国仁所推导的2.28%接近. 相似文献
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为揭示内部渗流对海岸冲流带泥沙起动的影响,系统地开展了斜坡海床冲流特性与泥沙起动机理研究。通过室内水槽开展了孤立波在可渗透和不可渗透斜坡海床上的冲流试验,测试了冲流过程中波高、波速等变化规律;建立了渗透海床冲流数值模型并通过试验结果进行验证;深入分析了床面渗流对其波浪流场动态特征以及床面泥沙起动的影响机理。研究表明,床面渗流作用加剧波浪的不对称性,在波浪上冲过程中因床面强入渗作用而增大了床面切应力;回流过程因入渗所造成流量损失而导致床面切应力减小。床面渗流引起床面颗粒有效重度和切应力变化而导致泥沙希尔兹数大大增加,加剧了泥沙起动现象,且床面切应力改变是引起泥沙希尔兹数变化的主要因素。 相似文献
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为提高推移质试验的观测精度与效率,基于水下摄影和粒子跟踪（UP/PTV）技术,实现明槽流床面泥沙运动状态的精细试验观测。通过剔除床面颗粒震颤干扰、设置颗粒临界运动阈值和多重滤波筛选程序,提高采集样本数据的有效性。利用多组低强度推移质试验,提取床面颗粒运动轨迹、速度、单步时长等数据,并进行粒子运动的Lagrange过程分析和概率密度分布（PDF）研究。研究表明:粒间碰撞和近底紊流扫荡的影响使粒子速度在单步步长内呈现先急剧增加再缓慢衰减的变化特征;速度PDF曲线显示细尾Gamma函数特性,同时受粒子震颤效应影响,加速度PDF曲线则具有拉普拉斯分布特征;粒子速度与摩阻流速之间关系密切,保持3.4~3.5的比值;粒子单步时长与步长的联合分布呈幂函数变化规律,拟合曲线指数一般为1.25~1.3。幂律指数大小受推移质输沙强度与床面粒子异质性的影响。 相似文献
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基于水、沙两相的分相测量试验结果,分析了床面附近泥沙颗粒的脉动和力学特性,指出床面附近的泥沙运动有着特殊的力学机制:颗粒相具有较强的非湍流脉动,其产生的脉动应力对颗粒的运动起着重要作用。论述了沙粒在水流中从推移运动到扬起悬浮的物理过程,讨论了过去一些理论中存在的问题和不足,概括了泥沙颗粒在水流中从床面扬起的基本模式,运用两相流理论分析了沙粒在水流中扬起的动力学机理。根据颗粒运动的垂向动量平衡原理,对泥沙颗粒的垂向浓度分布规律作了新的分析解释。证实了除浓度梯度之外,颗粒相的垂向脉动强度梯度也是泥沙扩散的重要扩散势,进一步揭示了悬移质浓度垂线分布存在两种类型的内在机理。 相似文献
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针对水利工程试验中水下模型地形的测量问题,分析比较了高频超声回波信号与阵列超声成像信号特征,并提出了一种超声成像测量方法。该方法直接利用高频超声成像仪获取水下模型地形的实时图像,通过分析提取图像中的地形成像亮带线,从而实现水下模型地形的快速无接触实时测量。结果表明基于高频超声成像的测量方法能够有效地规避水中悬浮粒子对水下模型地形测量的干扰,能够实现地形的实时测量,测量误差在3个像素宽(1.8 mm)以内。该方法自适应性强,速度快,分辨率高,为水下模型地形的动态分析与实时测量提供了一种有效途径,并已运用到实际工程中。 相似文献
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在环形水槽内模拟了太湖底泥的起动规律,分析了太湖底泥运动的不同状态,以及上覆水中总磷(TP)浓度随流速的变化关系,实验得出的太湖底泥在3种起动标准下对应的起动流速分别为35、45和60cm/s,并观察到上覆水中TP浓度在3种不同起动流速处出现了较大的跳跃;然后利用泥沙起动的理论模型计算了太湖底泥在3种不同起动标准(个别动、少量动、普遍动)下的起动流速和起动切应力,其值分别为37.9、46.7、59.8cm/s和0.428、0.636、1.042N/m2。两种方法得到的起动流速值比较接近,基本上反映了太湖底泥起动的实际状况。 相似文献
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从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。 相似文献
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从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。 相似文献
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ZHENHUA JIANG 《Sedimentology》1995,42(6):935-945
A new model, which couples fluid and particle dynamics, has been developed to study the motion of the sediment-water mixture during intense bedload transport, including the velocity profiles of both sediment and water, the roughness length of an upper plane bed and the thickness of moving sediment layers. Standard mixing length theory is used to model the motion of water above the boundary between the overlying water and the sediment-water mixture. The turbulent flow within the moving sediment layers is described by a shear stress model, in which the effective viscosity of the flowing water is proportional to the velocity difference between the fluid and the sediment. The particle dynamics method, in which the equations of motion of each of many particles are solved directly, is applied to model the movement of sediment particles. The particle-fluid interaction is expressed by a velocity-squared fluid drag force exerted on each sediment particle. Both computer simulation results and theoretical analysis have shown that the velocities of both sediment and fluid during intense sediment transport decrease exponentially with depth in the top layers of a fast-moving sediment—water mixture. The thickness of the moving sediment layers, obtained from the computer simulation results, is proportional to the shear stress, which agrees with previous experimental observations. 相似文献
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A discrete element method is applied to a three‐dimensional analysis related to sediment entrainment on a micro‐scale. Sediment entrainment is the process by which a fluid medium accelerates particles from rest and advects them upward until they are either transported as bedload or suspended by the flow. Modelling of the entrainment process is a critically important aspect for studies of erosion, pollutant resuspension and transport, and formation of bedforms in environmental flows. Previous discrete element method studies of sediment entrainment have assumed the flow within the particle bed to be negligible and have only allowed for the motion of the topmost particles. At the same time, micro‐scale experimental studies indicate that there is a small slip of the fluid flow at the top of the bed, indicating the presence of non‐vanishing fluid velocity within the topmost bed layers. The current study demonstrates that the onset of particle incipient motion, which immediately precedes particle entrainment, is highly sensitive to this small fluid flow within the topmost bed layers. Using an exponential decay profile for the inner‐bed fluid flow, the discrete element method calculations are repeated with different fluid penetration depths within the bed for several small particle Reynolds numbers. For cases with slip velocity corresponding to that observed in previous experiments with natural sediment, the predicted particle velocity is found to be a few percent of the fluid velocity at the top of the viscous wall layer, which is a reasonable range of velocities for observation of incipient particle motion. This method for prescribing the fluid flow within the particle bed allows for the current discrete element method to be extended in future studies to the analysis of sediment entrainment under the influence of events such as turbulent bursting. Additionally, predictions for the slip velocities and fluid flow profile within the bed suggest the need for further experimental studies to provide the data necessary for additional improvement of the discrete element method models. 相似文献
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天然河流床沙通常为非均匀沙,准确把握非均匀沙颗粒运动规律是模拟和预测天然河流河床演变的基础。开展了恒定均匀流条件下的非均匀沙推移质运动水槽试验,床沙粒径范围为0.10~20 mm。利用摄像机从顶部拍摄了粗化条件下的推移质颗粒运动,获取大量非均匀沙颗粒的运动轨迹,提取了颗粒运动速度、走停时间等基本运动参数,推移质运动颗粒粒径范围为0.74~8.19 mm。试验结果表明,非均匀沙床面聚集体或大颗粒使推移质颗粒运动方向发生改变,与均匀沙成果相比,非均匀沙推移质颗粒的纵向运动速度减小,横向运动速度增大;推移质颗粒纵向运动速度遵循指数分布,单次运动速度遵循Γ分布,横向运动速度及运动速度矢量角则遵循正态分布。 相似文献
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天然水体中泥沙颗粒表面容易生长生物膜,生物膜的生长会对泥沙颗粒的运动特性产生显著影响。设计了泥沙颗粒表面生长生物膜的实验,以及生长生物膜后泥沙颗粒的起动水槽实验。在水槽观测段分别放置由去离子水浸泡和天然水培养的两种泥沙,对比观察两种泥沙起动过程的区别,分析起动流速的差异和随培养时间的变化规律。结果表明,天然富营养水体中生物膜生长繁茂,对泥沙起动特性有着显著的影响,能够增强泥沙颗粒的抗冲性,并随时间呈现出先逐步增强到一个最优值后有所削弱的钟形曲线的变化趋势,表明在研究天然河流和湖泊尤其是污染严重的水域的泥沙起动时,需要考虑到生物膜的作用。 相似文献
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掌握三峡和葛洲坝枢纽间河段水沙及冲淤特性的变化规律,是河段诸多工程问题研究的前提。对大量水沙地形资料进行分析,探讨泥沙起动理论在冲刷预测中的应用。长江上游水库建设及两大枢纽相继运行,河段年径流量微减,月均流量发生"削峰填谷"重分配,年输沙量大幅降低,河段水沙关系显著改变;河段累积冲淤量受极端水文条件和枢纽调度的短期和长期控制,时间上具有明显阶段性特征,空间上则表现为部分子河段的活跃性;床沙组成随枢纽运行先后发生细化和粗化;基于沙玉清起动流速公式绘制了起动临界条件曲线图,通过推算断面最大可动床沙粒径或临界流量,可为河床冲刷可能性的预判提供参考。 相似文献
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掌握三峡和葛洲坝枢纽间河段水沙及冲淤特性的变化规律,是河段诸多工程问题研究的前提。对大量水沙地形资料进行分析,探讨泥沙起动理论在冲刷预测中的应用。长江上游水库建设及两大枢纽相继运行,河段年径流量微减,月均流量发生"削峰填谷"重分配,年输沙量大幅降低,河段水沙关系显著改变;河段累积冲淤量受极端水文条件和枢纽调度的短期和长期控制,时间上具有明显阶段性特征,空间上则表现为部分子河段的活跃性;床沙组成随枢纽运行先后发生细化和粗化;基于沙玉清起动流速公式绘制了起动临界条件曲线图,通过推算断面最大可动床沙粒径或临界流量,可为河床冲刷可能性的预判提供参考。 相似文献
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分析了现有起动标准的不足之处。在制定起动标准时,不但要考虑水流条件,还必须考虑泥沙颗粒在床面的相对位置。对同一粒径的泥沙颗粒,其起动条件不是一个常量,而是位于一个区间,它随颗粒在床面的相对暴露度而变化。根据力学原理,推导了泥沙颗粒起动时的临界无量纲切应力公式,并对其系数取值进行了理论计算。计算结果表明,对同一粒径、在同一起动状态下,泥沙颗粒的起动临界条件并非一个常量。并从理论上分析得到了临界值的范围,对个别及少量起动,其无量纲临界切应力为0.021～0.042及0.041～0.062。 相似文献