水沙流中的泥沙悬浮(ⅰ)论文

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1、水沙流中的泥沙悬浮(Ⅰ)论文.freel(实测悬浮指标)比Zc(计算悬浮指标)小的设想并不总是正确，图2就是一个反例15；(3)认为κ值可变而对卡门常数进行修正的尝试是不可靠的，因为事实上Coleman已发现(如图3所示)κ是一个不变的常数16。实际上，任何在扩散理论框架内进行的修正无非是寻找泥沙扩散系数的表达式。由于扩散理论没有给出悬浮颗粒运动的动力学解释，为了能更深入地探讨悬浮颗粒的机理，许多学者致力于寻找更为普遍的理论。图1实测εs和ε的垂线分布2Verticaldistributionofεsandεfromthemeasureddata图2Zm和Zc的关系15

2、RelationofZmandZcfromthemeasureddata表1悬浮颗粒浓度垂线分布的代表性公式Representativeformulasforverticalsedimentdistribution序号作者公式说明1LaneKalinskeC/Ca=exp-6κ(ω0/u*)(y/H-a/H)为距床面距离a处的颗粒浓度2AnanianGarbashianC/Ca=exp-(y/H-a/H)/AAAA=(0.0017v2/gH)ρP-(1+KA)ρ/(ρP-ρ)3CaiC/Ca=(C1+y/H)/(C1+a/H)-C2C1=B/A，C2=κ(ω0/u*

3、)/A4VelikanovΦ=H(1-y/H)ln(1+y/Δ)Δ为床面当量糙率5KarimKennedyΓ=1/(1+m)(1-y/H)(y/H)1-m6LaursenLinC/Ca=expω(1+1/m)/βumaxf(Iy/H-Ia/H)7Laursen8TanakaSugimoto9Barenblatt10Hunt0.995＜B*＜111Rouse12Zagustin13ItakuraKishφ=f(ω/u*)混合理论假设流体和分散的悬浮固体颗粒可分别视为连续介质17，18。尽管流体和固体颗粒具有不同的密度、速度和其它特征，但混合流中液相和固相的体积浓度可以很容

4、易确定。具体做法是对两相分别列出动量守恒方程，随后将之叠加得到固液相混合的总体方程，以消除两相相互影响的复杂项。混合理论架建于单一流体模型的基础之上，能克服扩散理论的部分缺陷并给出低浓度颗粒垂线分布的动力学机理。然而该理论在应用上存在的困难是如何确定混合流体的本构关系。McTigue采用Dreeteff25)认为含沙水流中用于支持颗粒悬浮的能量不是直接取自有效势能，而是从紊动能中获得。从这一观点出发，蔡树棠仿照周培源提出的涡量相似理论假设流体和颗粒紊动具有某种相似性，得到了与Rouse公式相似的颗粒垂线分布公式30，31。图3κ与Ri(Richard数)的关系16κ-R

5、i(RichardsonNumber)relation然而，存在的问题依然是能量事实上是怎样耗散的?悬浮能量在总的紊动能中占多大比例?这些问题还远没有解决。有关水流紊动能的公式可以在大部分流体力学教科书中找到32，33。然而目前关于维持悬浮颗粒的紊动方面的认识还很有限。由于对含沙紊流中能量耗散方式的认识不足，能量理论的实际应用受到很大限制。上述理论从不同的角度对紊流中的颗粒悬浮给出了不同的理解。每种理论都有利有弊，并都得到一个相应的颗粒垂线分布公式。然而从这些存在的理论可以发现尽管采用不同的理论和数学处理，最后都得到或接近按扩散方程所得到的结构形式，主要的差别是扩散系数

6、εs的表达有所不同34。这一仅从形式比较(而非实质探讨)得到的认识构成了对表1所示的由各种理论获得的不同公式进行综合和统一的基础1，19，28，30，35～42。2现有公式的综合有趣的是，对表1中的每个公式，研究者都能找到一些实测数据来验证其正确性并显示其优于它式，而当选用其它的资料时则得到相符很差或者完全不符的结论。例如43，44，由图4可以看到，即使采用同样的悬浮指数，从不同公式得到的颗粒垂线分布也有很大的不同。因此，事实给我们提出了这样一些问题：为什么每个公式都有一些实测资料相符而与其它资料不符?是否可能或怎样综合现有公式以得到一个一般化的公式?对此，本文将在文献

7、43和45的基础上进一步拓广讨论。一般而言，颗粒扩散系数εs的表达式为图4相同悬浮指数不同公式的比较(Z=0.5)parisonofdifferentformulasesuspensionindex(Z=0.5)(1)这意味着获得εs的关键在于确定颗粒垂向运动的特征长度L(通常指所谓的颗粒平均自由程)，或者相应的特征时间tm，这正是迄今为止紊流研究中最困难的问题。这里假定颗粒的均方值(或均方根在靠近床底以外的大部分区域是可预测的。由于以前的研究表明，紊流波动强度沿垂线几乎不变，所以如何表达L就成为(1)式中的要害所在46，47。在这一领域