高含沙水流理论研究综述

高含沙水流理论研究综述

高含沙水流的概念,主要分为三大和三高砂水流是一种常见的自然现象，在中国广为分布。黄河及其一些支流是典型的高沙河。这些河流都具有较高的含沙量,尤其在洪水期间水流含沙量更高。在黄河一些支流上的年均含沙量高达500kg/m3,而有记录的实测含沙量甚至达到1500~1600kg/m3。这些高含沙水流具有与普通挟沙水流不同的运动特点和冲淤规律,例如“浆河”和“揭河底”现象。长期以来,高含沙水流是泥沙运动力学和生产中一个重要的研究课题,然而由于它的复杂性,关于它与低含沙水流的区分一直没有明显的界限。文献中认为:当水体中含沙量较高,并且含有一定量的细(粘)颗粒(d<0.01mm),使该挟沙水流的物理特性、运动特性和输沙特性等基本上不再用牛顿流体的运动规律来描述时,这种水流称为高含沙水流。文献中给出了高含沙水流的现象、运动特点、演变规律等诸多研究成果,高含沙水流向哪一种模式发展,在很大程度决定于水流是否将自牛顿体转化为非牛顿体以及宾汉极限剪应力的大小。上述两种定义并不是严格和精确的,并没有明确的指出低含沙水流到高含沙水流浑水含沙量的临界值。高含沙水流危害性大,黄河每年由高含沙洪水所引起的水位异常涨落和河道冲淤都给黄河流域防洪工作带来巨大的压力。因此,对高含沙水流本身特性和运动规律的研究,为黄河等高含沙河流的治理与开发提供技术支持,在理论及工程应用方面具有重大意义。本文将在高含沙水流粘性系数、宾汉极限剪切力、泥沙沉速、流速分布、阻力损失和水流挟沙力方面对学者的研究成果加以综述。1基于粘度计算的粘土和宾汉极限剪切力的计算公式高含沙水流由于含沙量高和粘性颗粒的存在,使浑水发生絮凝,水流转变为宾汉流体,产生宾汉极限切应力,水流粘性系数也发生改变。对高含沙水流粘性系数和宾汉极限剪切力的影响因素很多,主要包括含沙量、粘性细颗粒含量和颗粒级配等。通过试验,学者建立了一些粘性系数与宾汉极限剪切力的经验公式。钱意颖、张浩等分别采用不同的沙样进行试验,得到粘性系数和宾汉极限切应力τB的计算公式。乐培九分析了对浑水絮凝产生影响的主要因素,并从切应力对絮团做功与单位流体内絮团之间的总吸引势能相平衡的观点出发,得到宾汉极限剪切力的计算公式。费祥俊引入临界浓度与颗粒级配的极限浓度的概念,建立了τB的计算公式。上述τB的计算多是通过试验得到的经验公式,公式间差异较大,一般各公式只适用于特定沙洋,对于计算时要做比较选取。另一方面,学者试图从理论上对高含沙水流的粘性系数与宾汉极限剪切力的计算公式进行推导。窦国仁通过一定的假设和理论分析,推导出了τB与粘性系数的计算式。詹义正等基于絮凝原理,在考虑了颗粒形状,沙样组成,临界含沙浓度及含沙量因素对τB的影响下,推导得到宾汉极限切应力的计算公式。学者还利用爱因斯坦在无粘性、低浓度、均匀沙颗粒作用下的相对粘性系数公式推导出粘性颗粒、高浓度、非均匀沙的粘滞系数公式其中,μr为相对粘性系数,Sve为有效浓度,K′为有效浓度系数,其取值受浑水浓度的影响而有所不同。关于K′的修正,褚君达考虑粘性颗粒周围束缚水的影响,推导了浑水中泥沙的有效浓度。费祥俊考虑了束缚水和泥沙颗粒之间封闭水对有效浓度的影响,对有效浓度系数进行了修正。钱宁分析认为,在不同类型的颗粒和浑水浓度下,颗粒所形成的薄膜水与封闭水会有变化。他对不同浓度下有效浓度做了分析,给出了系统的计算粘性系数的方法。上式是在爱因斯坦相对粘性公式的基础上推导的,陈立放弃了对有效浓度系数的修正,认为含沙水流的相对粘性系数应与浑水中自由水的体积比浓度遵循指数关系,并通过实验对指数的大小进行了修正。浑水的粘性系数和宾汉极限剪切力还会受到水流紊动的影响。这是由于紊动作用破坏粘性颗粒的絮凝,使得浑水的流变特性发生改变。田治宗等根据黄河实测资料,从紊流下有效雷诺数Rem与阻力系数Cd的关系出发,得到紊流中的刚性系数ηT与紊流宾汉极限剪切力τBT随Rem的变化关系,其中ηT与τBT随Rem的增加有着先增加,后减小,之后趋于稳定的规律。陈立等从水流内部自由空隙的体积比浓度入手,得到ηT,τBT随Rem的变化规律。费祥俊在切应力方程中引入结构系数λ项,并通过水槽及沉降试验,确定了λ的计算方法,得到τBT随雷诺数的变化规律。可以看出,粘性系数受到的影响因素多,高含沙水流宾汉极限剪切力的计算公式多为经验公式,各公式间相差很大。另外,对于流动条件下高含沙水流的流变特性研究较少,这也是由于水流紊动的复杂性决定的。加强这方面研究将是对高含沙水流理论研究的很好补充和完善。2深刻反应与沉速泥沙颗粒在浑水中匀速沉降,它的沉速会受到浑水浓度、粘性颗粒含量和絮凝结构等因素的影响。根据泥沙颗粒组成的不同,其沉降可分为粗颗粒的沉降,粘性颗粒的沉降,粗颗粒在粘性颗粒中的沉降和混合沙的沉降。对于粗颗粒的沉降和存在粘性颗粒但未发生絮凝的沉降,学者得到了一些计算公式。其中最具代表性的是理查逊及扎基公式ω为粗颗粒泥沙相互影响下的群体沉速,ω0为颗粒在静水中的沉速,Sv为体积比浓度,m为与雷诺数有关的指数。学者考虑了泥沙颗粒下沉时部分水体随其一起下沉而另一部分水体回流对泥沙沉速的影响,根据粘性颗粒的无滑移条件,推导了非絮凝均匀沙的群体沉速公式。褚君达考虑颗粒薄膜水及封闭水对浑水浓度的影响,引入极限浓度的计算方法,推导了高浓度浑水非絮凝颗粒群体沉速公式和粗颗粒泥沙群体沉速公式。浑水发生絮凝时,粘性颗粒产生絮团或絮网,其对泥沙颗粒沉速的影响在现阶段研究中多采用试验和力学分析结合的方法进行计算。钱宁把絮团的沉降看做是相互影响的粗颗粒均匀沙的沉降,其群体沉速可用粗颗粒均匀沙沉速公式计算,他还对絮网结构体的等浓度层进行了力学分析,得到其沉速公式,同时他认为,对粗颗粒泥沙在伪一相流中的沉降,可采用经验的方法,绘制颗粒沉降的阻力系数与有效雷诺数的关系图,从而求得泥沙沉速。夏震寰等对粗颗粒在粘性颗粒浑水和絮团中的沉速进行了研究,得到了沉速的计算公式。对于混合沙,其颗粒的沉降规律也符合均匀粗颗粒和粘性颗粒的沉降规律。对其沉降规律的研究,学者大都根据其沉降的特性,运用不同的划分方法,将混合沙的沉降分为不同的区域。钱意颖分析群体沉速与泥沙浓度之间的关系,根据沉降过程中各部分沉降特点的不同,他将混合沙的沉降分为四个区域,并给出了各区的沉速计算公式。张浩等根据对泥沙含沙量与中值粒径和颗粒中d>0.0007mm泥沙百分比乘积的关系曲线,将混合沙的沉降分为干扰沉降区、分选沉降区和均匀悬液区三个区域。钱宁根据混合沙的浓度与极限浓度之间的关系,将混合沙的沉降分为相似的三个区域。应当指出,虽然各家划分的方法不同,但实验得到的沉降现象与规律是相似的,划分得到的各个区域差别不大。水流的紊动也会对泥沙颗粒的沉降造成影响。一般认为,在含有絮凝结构的浑水中,当水流雷诺数较大时,泥沙颗粒在紊动作用下的沉降可以认为是不含粘性颗粒情况下的非均匀沙的沉降情况。浑水中泥沙颗粒的群体沉降规律受到粘性颗粒絮凝的影响而与一般颗粒沉降不同,在这方面学者的研究已经取得一定成果。泥沙的沉速会受到水流紊动的影响,这使得泥沙颗粒在静水与动水中的群体沉速不同,这在试验观测中已有发现。由于动水中泥沙颗粒的沉速不易测量并且水流的紊动强度不能有效的定量表达,这使得动水中泥沙沉速的研究成果并不是很多,在这方面应做更进一步的研究。3高含沙两相流流速分布的研究高含沙水流和清水水流相似,也可分为层流与紊流。而由于浑水的容重、粘性系数与清水不同,且浑水中存在宾汉极限剪切力,使得高含沙水流流速分布与清水有一定的差别。在层流中,由于宾汉极限剪切力的存在,在水流切应力小于宾汉极限剪切应力时水流会有“流核”产生。在流核区内,各流层流速相等,没有相对运动,流核作为一个整体向前运动;在流核外,流速符合指数分布。学者根据高含沙水流的流变方程,推导出了层流的流速分布公式,并得到了流核区的运动速度和流核区的厚度。对于伪一相流紊流区,除流核区外,流速分布与清水相似,仍然遵循对数流速分布。在高含沙两相紊流中,流速的分布各学者研究结果存在着不同,主要表现在紊流流速分布表达式上。紊流流速表达式大致有着对数流速公式,指数流速公式和尾流流速公式三种。对于对数公式,钱宁认为浑水流速分布在主流区符合对数分布规律,但卡门常数随含沙浓度或垂线浓度梯度的增加而减小,他以主流区的流速分布斜率作为衡量标准,因而认为近底区流速分布偏离对数分布规律。另一些学者把卡门常数看做是一变量,通过得到卡门常数在紊流中主流区与底流区的统一公式,将其运用到对数流速分布公式中,从而得到了紊流流速对数分布的统一公式。而王明甫等认为高含沙水流在紊流光滑区流速符合对数分布律,在紊流粗糙区和过渡区浑水流速符合指数分布律,分布较清水不均匀。对于尾流流速分布科尔曼提出在挟沙水流的主流区应存在一个“尾流区”,在其内流速分布偏离对数流速分布,应在对数公式后增加一个“尾流函数项”。对于流速分布的三种公式,它们是存在联系的。黄才安等认为三种流速分布公式是对挟沙水流流速分布这同一现象的不同近似描述,三种公式之间存在着联系。可以看出,高含沙水流流速分布与清水流速分布两者主要区别在于高含沙水流有流核的存在,对于高含沙伪一相流,除流核区外含沙水流的流速分布与清水相似。对于两相挟沙水流流速分布的情况,各家得到的实验结果相似,流速分布的规律相同,只是在流速分布公式的采用上存在着不同。4高含沙两相流阻力的比较高含沙水流在泥沙浓度、级配和细颗粒含量发生变化时,水流的阻力也会变化。根据泥沙颗粒是否以中性悬浮质运动,可把高含沙水流分为伪一相流和两相流,其阻力特点是不同的。对高含沙伪一相流的阻力一般认为与清水水流相似,只是由于浑水中的泥沙改变了浑水的容重和粘性而略有不同。对其研究主要通过含沙水流阻力系数与雷诺数的关系来描述。张浩、侯晖昌等分别根据管道和圆盘实验得到阻力系数λ与有效雷诺数Rem的关系,两种情况下λ与Rem的关系都与清水规律相似。另外,杨文海、齐璞等采用以刚度系数表示的雷诺数Reη得到了不同的λ与Reη的关系曲线。钱宁指出以刚度系数表示的雷诺数与阻力系数的关系曲线只是描述阻力损失的另一种不同表达方式。在层流区,根据赫氏数的不同,实验点群大致落在相应的赫氏数理论曲线附近,光滑紊流区的实测点群则落在清水曲线的稍下方。上述一些作者的观点认为高含沙水流的阻力在阻力平方区会减小,而另一些学者也提出了不同看法。钱意颖等认为有效雷诺数与阻力系数的关系曲线在层流条件下为线性关系,规律与清水规律相似,而阻力损失远大于清水水流;在紊流的情况,点群落在水力光滑区的稍下方,相同雷诺数时,浑水的阻力系数接近于清水的阻力系数,但在相同的流速与水力半径的条件下,浑水光滑紊流的阻力损失要大于清水。任增海认为在阻力平方区,含沙水流的阻力总是大于同流速清水水流的阻力,而且含沙量越大,阻力越大,并给出了阻力系数的表达式。应当指出,在对清水与浑水的阻力大小比较时,存在着判别标准的不同,相同高度清水水柱与浑水水柱代表的压力大小是不同的,也就是阻力损失是不同的。另外关系曲线中浑水曲线在清水曲线以下只是说明相同的雷诺数下浑水的阻力系数较清水的小,而由于浑水的粘性系数、密度要比清水为大,将浑水与清水的阻力在相同的雷诺数下进行比较也存在着是否合理的问题。上述关于阻力的研究成果主要是根据实验资料得出的,而对天然河道的高含沙水流阻力的研究成果较少。目前一些学者认为含沙量是糙率系数的主要影响因素,比如周国栋等认为糙率系数n随含沙量s的增加而减小,并给出了n值与s的关系曲线。其实仔细观察曲线关系我们可以发现在含沙量大于25kg/m3以后,n值随s的增加已有增加趋势,只是因为资料中含沙量范围较窄,最大含沙量不超过50kg/m3。邓安军等通过分析大量黄河干支流的实测资料,得出了含沙量大于100kg/m3时,n值会随着s的增加而增加的规律,并对糙率系数随含沙量变化的这一规律做出了解释。对于高含沙两相流,当含沙水流中有部分泥沙颗粒以推移质的形式向前运动时,由于推移质运动消耗额外的水流能量,产生沙波阻力,从而使得阻力系数与雷诺数的关系偏离清水中阻力系数与雷诺数的关系曲线。钱宁认为高含沙两相紊流的推移质运动问题实质上可以看作是与清水性质不同的浆液携带粗颗粒推移质的问题,与清水不同之处在于浆液和清水水流特性上的不同。高含沙两相流的阻力问题可以看作一般挟沙水流动床阻力的问题。对于动床阻力的研究,很多文献中都已有过说明。5高含沙水流中资源沙运动效率系数的确定和经验性公式的应用水流挟沙力是指河流达到输沙平衡时,所能够挟带的泥沙量。目前关于计算水流挟沙力的公式很多,多用于中、低含沙量河流挟沙力的计算,但在计算较高含沙量时这些公式误差较大。张瑞瑾公式是水流挟沙力公式中最具代表性的公式,通过对张瑞瑾公式的修正,学者们得到了更适合于高含沙水流的挟沙力公式。韩其为在充分考虑高含沙水流中的泥沙含量对浑水容重和泥沙沉速的影响外,同时认识到当含沙量进一步增加时,必须考虑泥沙颗粒周围一层难以分离的薄膜水对泥沙颗粒体积的影响,从而建立了含沙水流挟沙力公式其中,S*是水流挟沙能力,S为上游来流含沙量,ρ0和ρs分别是水体和泥沙容重,k0和m分别是挟沙力的系数和指数,ω0是泥沙在静止清水里的沉速,k是泥沙沉降速度修正指数,β是衡量薄膜水对泥沙颗粒体积影响的参数,,其中D为泥沙颗粒粒径,δ为薄膜水厚度,可取4×10-7m。郭庆超运用黄河、长江和塔里木河等河流资料对一些挟沙力公式进行验证,认为韩其为公式对高、中、低含沙水流挟沙力的计算都有很好的适用性。张红武等从水流能量消耗和泥沙悬浮功之间关系出发,考虑含沙量对泥沙沉速和对卡门系数的影响,用大量的试验资料率定了浑水阻力系数和挟沙效率系数与水流含沙量、水力因子之间的关系,得到高含沙水流挟沙力的经验公式,一些验证表明该公式在计算黄河干支流挟沙力时有较好的精度。另外,还有很多学者从不同的角度对挟沙力公式进行了推导,如舒安平等从泥沙悬浮功与水流紊动能相平衡角度,用紊流两相流理论推导出了悬移质泥沙运动效率系数的表达式,得到了高含沙水流挟沙力公式。费祥俊考虑了颗粒级配和河流断面形态对挟沙力的影响,利用悬浮指标得到的不冲不淤流速并结合曼宁公式建立了经验性的黄河挟沙力公式。白永峰等从高含沙水流流变特性对挟沙力的影响出发,分析资料,在挟沙力公式中加入了反映流变特性的相对雷诺数,用无量纲的雷诺数比来表示,得到挟沙力计算的经验性公式。应当指出,上述公式中的指数和系数是通过大量实测资料得到的经验值,这就造成公式适用范围的问题,在计算过程中应做比较选用。高含沙水流非常复杂,在现阶段,除了上述一些半经验公式外,还有一些经验性的方法。如吴保生等通过对挟沙力公式的比较认为对于高含沙水流,当挟沙力公式考虑了高含沙对浑水粘性系数和泥沙沉速的影响后,挟沙力公式的精度会