1、二维均匀流悬沙垂向扩散系数的实验研究第 1 期2008 年 1 月华东师范大学(自然科学版)Journa1ofEastChinaNorma1University(Natura1Science)No.1Jan.2008文章编号:10005641(2008)01 011207二维均匀流悬沙垂向扩散系数的实验研究朱传芳,孔亚珍,丁平兴(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062)摘要:利用波一流一泥沙实验水槽,进行二维均匀流输沙实验 ,研究悬沙浓度垂向分布,悬沙扩散系数及其垂向分布.结果表明,悬沙浓度沿垂线分布与 Rouse 公式吻合良好;悬沙垂向扩散系数与水流紊动垂向扩散系数成正比;
2、悬沙垂向扩散系数的垂向分布可用抛物线描述 ,其最大值与水动力和泥沙条件紧密相关.关键词:悬沙浓度垂向分布;悬沙垂向扩散系数;二维均匀流中图分类号:P731 文献标识码:AExperimentalstudyofverticalsedimentmixingc0efficientsin2DuniformflOWZHUChuanfang,KONGYazhen,DINGPingxing(StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062.China)Abstract:Experi
3、mentsonsedimenttransportbytwodimensionaluniformcurrentswerecarriedoutusingwave-flowsedimentflume.Itisfoundthattheverticaldistributionofsuspendedsedimentconcentration(SSC)agreeswellwithRousesequation,andtheverticalsedimentmixingcoefficientisproportiontotheverticalfluidmixingcoefficient,andmaybedescri
4、bedbyaparabola.ThemaximumofverticalsedimentmixingcoefficientisrelatedtohydrodynamicsandSSC.Keywords:verticaldistributionofSSC;verticalsedimentmixingcoefficient;2Duniformflow0 引言悬沙垂向扩散系数的确定是悬沙垂向分布中最重要最复杂也是最困难的问题之一,因而对于悬沙垂向扩散系数的研究吸引 l 了众多学者的兴趣 .鉴于悬沙扩散与水流紊动扩散间的关联,早期学者.将两者之间的关系用常数型,线性型,抛物型和抛物一常数型等形式表达.但
5、如何体现悬沙与流体扩散间的差异及悬沙颗粒对流体湍流结构的影响10-123,在实收稿日期:200612基金项目:国家自然科学基金(50479046);973 项目(2002CB412403)第一作者:朱传芳,男,硕士生,主要从事潮滩动力学方面的研究 .通讯作者:丁平兴,男,教授,博士生导师,主要从事潮滩动力学与陆海相互作用研究Email:第 1 期朱传芳,等:二维均匀流悬沙垂向扩散系数的实验研究 113际使用中扩散系数形式应如何选择等仍然是有待深入研究的问题.本文利用河口海岸学国家重点实验室的波一流一泥沙变坡水槽,进行系列二维均匀流平衡输沙情况下悬沙实验,获得不同水流情况下悬沙浓度的垂向分布,确
6、定并分析悬沙垂向扩散系数的特征,期望所得结果对于研究悬沙垂向结构有所裨益.1 方法实验在宽 0.5m,高 0.7m,长为 33m 的波一流一泥沙可变底坡玻璃水槽中进行,水深控制在 30cm.实验采用长江口淤积海滩天然沙,中值粒径 d.为 15m.实验时水流瞬时流速采用超声波多普勒流速仪(MicroADV,可测量三维流速)采集,采样频率设定为10Hz;流量采用电磁流量计测控;水体浊度用光学后向散射浊度仪 (0Bs)实时观测;含沙量采用真空泵抽气负压虹吸抽取水沙样品,在垂向上将水深分为 10 层,加上表层即 11 层同步采样.实验水槽装置如图 1.IlI图 1 实验装置Fig.1Equipment
7、oftheexperiments先控制流量使水流达到稳定状态,调节底坡使上下游水深一致,获得二维恒定流.根据挟沙力公式估算不同条件下悬沙浓度范围,向备沙池加入略为过量的泥沙,浑水循环.OBS 实时观测水槽内水体浊度变小至稳定,认为此时床面处于冲淤平衡状态.然后用 OBS观测比较水槽中不同点浊度,找出实验段.最后抽水取样,将样品过滤烘干称重,同时利用激光粒度分析仪(coulter)分析悬沙中值粒径 .实验参数见表 1.表 1 实验参数Tab.1Parametersoftheexperiments,比降中售/,第 1 组 3090,0.32224.5180.55第 2 组 301500.45352
8、.47281.2第 3 组 301800.5402.79341.45第 4 组 302100.6452.910381.9表中流量为电磁流量计所测量的进水管道内流量,稳定水流条件下流量变化范围为 90210m.?h 一,平均流速为断面平均流速,摩阻流速按钱宁与万兆惠的建议取为沙粒摩阻流速 U:(RgJ),式中 R 为水力半径,g 为重力加速度 ,.,为水面坡降.从表中可以看114 华东师范大学(自然科学版)2008 正S(字)./ZkU-.一.一gD2.(3)第 1 期朱传芳,等:二维均匀流悬沙垂向扩散系数的实验研究 115靛晕1.00.8O.6娄 o.4O.20.0泥沙浓度 g.L)第一组,R
9、2=O.99泥沙浓度 g.L)第三组,R2=0.9951.00.806姿 o.40.20.0送莨泥沙浓度 g?L)第二组,RZ=0.995泥沙浓度 g?L)第四组,RL0.99图 2 悬沙浓度垂向分布(与 Rouse 公式计算比较)Fig.2Verticaldistributionofsuspendedsedimentconcentration中值粒径/m第一组中值粒径/m第三组中值粒径/“m第二组图 3 悬沙中值粒径垂向分布中值粒径/am第四组Fig.3Verticaldistributionofsedimentsmediangraindiameters*垂醚瓷*捉罂116 华东师范大学(自
10、然科学版)2.3 垂向扩散系数及分布根据 4 组实验分别测悬沙浓度剖面和依据 Stokes 沉速公式(3)确定悬沙沉降速度,利用(1)式便可计算 4 组实验悬沙的垂向扩散系数及其垂向分布.将其与假定一循一【,.比较,式中 e 是水流紊动垂向扩散系数,结果如图 4 所示.从图中可以看到悬沙垂向扩散系数与水流紊动垂向扩散系数相关性很高,相关系数在 0.8 以上.在本实验条件下,悬沙扩散系数垂向分布还可用抛物线方程拟合,1,2:一 4emaf一 0.51,实验结果与抛物线方程相关性达 0.9 左右,如图 5 所示,抛物线方程中 e 是唯一需要确定的因素.a 和 e 取值如表 2 所示,随流速,泥沙粒
11、径和泥沙浓度加大而变大 ,反映了水流和泥沙对扩散的影响,其具体关系将另文讨论.表 2 口和 8 一取值Tab.2Valueof 口 and从图 4 和图 5 还可以看到,4 组实验的悬沙扩散系数的垂向分布均分别从底及表面向中间变大,这可能是因为上,下两边界对水流及泥沙扩散的限制.在靠近底边界区域,流速垂向分布非对数分布,泥沙浓度垂向梯度大.在靠近水表面区域,现有理论或经验所得泥沙垂向扩散系数分布从假定为常数到一次函数,抛物线型再到抛物线一常数型.几个分布形式最大不同泥沙扩散系数第三组,动量交换系数R:=-0.86霞0l02030泥沙扩散系数动量交换系数第二组,=0.8701020304050?
12、泥沙扩散系数 动量交换系数第四组,=0-83图 4 泥沙垂向扩散系数与水流紊动垂向扩散系数比较Fig.4Comparisonbetweenande*鉴第 1 期朱传芳,等:二维均匀流悬沙垂向扩散系数的实验研究 117在于近水面区域,有的研究结果为扩散系数向水面增大,有的认为变化不大2-17,而本实验结果为向水面变小.在不同条件下近水面区扩散系数形式不同,原因在于泥沙的扩散系数不仅与平均流速的分布有关,同时还受其他诸多因素的影响.靛霉莨罂第一组,89第三组,=0.87莨霉莨霉第二组,=o.9第四组,R=o.84图 5 泥沙扩散系数垂向分布与拟合抛物线Fig.5Verticaldistributi
13、onofe3 结语本文利用河口海岸学国家重点实验室的波一流一泥沙可变坡水槽进行了系列二维均匀流平衡输沙情况下的悬沙垂向扩散特性方面的实验研究,结果如下:(1)泥沙浓度的垂向分布沿水面向下增加,近水面和近底梯度较大,泥沙浓度的垂向分布除水面外与 Rouse 公式吻合良好,但悬浮指标 z 值比理论值要小;(2)泥沙的垂向扩散系数与水流紊动垂向扩散系数成正比,泥沙垂向扩散系数可以用一瞻一 u.几表示,其中 1.1a3.6,a 随流速和泥沙浓度增大而变大;(3)悬沙垂向扩散系数的垂向分布从底及表面向中间变大,在中间水深有一最大值,可以用抛物线ee一 4e(一 o.s)描述垂向扩散系数的垂向分布.致谢:
14、本文的试验研究得到了何青教授,陈立教授,孙介民老师和李兴华老师的指导帮助,谨致谢忱!参考文献r 门傅旭东,王光谦.一个基于动理学理论的悬沙扩散系数模型c/第六届全国泥沙基本理论研究学术讨论会论文118 华东师范大学(自然科学版)2008 生234567891O111231331415161718192OE2122232425集.郑州:黄河水利出版社,2005:244250.COLEMANNL.FlumestudiesofthesedimenttransfercoefficientI-J.WaterResourcesResearch,1970,6(3):8O1809.刘建军.明渠水流含沙量垂线分
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