浑水异重流潜入理论模型及影响因素研究_赵琴.pdf

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1、泥沙研究2012年2月JournalofSedimentResearch第1期浑水异重流潜入理论模型及影响因素研究1，22赵琴，李嘉(1．西华大学能源与环境学院，四川成都610039;2.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点试验室，四川成都610065)摘要:现有关于异重流潜入现象物理机制的研究较少，所建立的理论模型普遍只考虑流量和含沙量，事实上，异重流的潜入受多个水力因素共同作用。本文从异重流潜入过渡区的动量方程和能量方程出发，建立理论模型，并结合水槽试验予以模型参数的率定及模型的验证。该理论模型包含流量

2、、含沙量、坡度、阻力系数、断面宽深比等多个水力因素，经分析发现:含沙量增大、流量减小、坡度增大、阻力系数增大、宽深比增大，更易形成异重流。随着含沙量减小，坡度的影响更明显，而阻力系数和宽深比的影响会减弱。关键词:异重流;潜入点;理论模型;水力因素中图分类号:TV145.2文献标识码:A文章编号:0468-155X(2012)01-0058-051引言异重流潜入现象是异重流形成的标志，研究异重流的潜入就是要找到潜入点处水力因素之间的相2互关系，从而对异重流的产生进行预报。工程上，现多采用密度弗劳德数Fr0作为异重

3、流潜入的判［1，2］［3］2据，如范家骅通过水槽试验和原型观测，找到Fr0=0.6。但近来的实测资料发现该判据不能用［4］于高含沙异重流，并且只是浑水异重流潜入的必要条件，不是充分条件。事实上，研究者实测得到的2［5］Fr0值较分散。［6］部分研究者从异重流潜入物理机制出发，寻求潜入条件。姚鹏在潜入力学机理基础上提出异重流潜入过渡区模型。由于异重流潜入边界条件复杂，影响因素较多，现有的理论模型通常不计坡度、阻力，普遍只包含流量、含沙量的影响。本文对异重均匀流建立新的潜入过渡区理论模型，并在此基础上讨论流量、含沙

4、量、坡度、阻力系数、断面宽深比等水力因素的影响。2潜入过渡区理论模型2.1模型的建立假设在倾斜角θ=C的情况下，异重流潜入一段距离后，重力、阻力平衡，形成均匀流。取从浑水开始下潜到形成均匀流这段流域为潜入过渡区，如图1，令潜入点所在断面为AB断面，均匀流开始形成的断面为CD断面，两断面沿流动方向的距离为L。假设该区域的流动为恒定流，无泥沙沿程沉降，并认为上层清水为静水。2.1.1动量方程取ABCD断面之间的下层浑水体为控制体，列出其动量方程2121h0+h1ρU1ρq(β1U1－β0U0)=2ρgh0－(ρ0g

5、h2+ρgh1)h1+a1ρgL2J0－a2λm82L(1)2收稿日期:2010-11-10基金项目:四川省教育厅科研资助项目(No:09ZB082)作者简介:赵琴(1975－)，女，博士，研究方向:环境水力学。E-mail:zhaoqin7579@163.com58式中:q为单宽流量;U0、U1分别为AB、CD断面浑水平均流速;h0为AB断面浑水水深;h1、h2分别为CD断面浑水、清水水深;β为动量修正系数;a1、a2分别为将清、浑水交界面看作是直线计算重力、阻力引入的修正系数;λm为考虑河床阻力和交界面阻力

6、在内的综合阻力系数;浑水密度ρ视为常数。令β1=β2=1，K1=h0/h1，K2=h2/h1ρ－ρ0Δρ引入相对密度差ηg==，令ρρq2图1潜入过渡区2Fr=，得到13Fig．1Plungetransitionzoneηggh12112ρ01LJ0(K1+1)a2λmL2Fr1(1－)=2ηK1－K2－2η+a12h－4hFr1(2)K1gΔρg1ηg1由图1找到K1和K2的关系式LJ0K=+K－1(3)21h12a2λmFr1将式(3)代入式(2)，令a3=，取修正系数a1=1，整理得到K1的方程为43K1

7、J0Lρ02ρ0LJ01LL22η+(－)K1+[(1－)+2η(－1)－a3h]K1+Fr1=0(4)g2ηgh1ΔρΔρh1gh112.1.2能量方程列出AB、CD断面的能量方程式，其中CD断面包含清水和浑水22ρU0ρU1+ρg(h+LJ)=+ρgh+ρgh+ρgh(5)00102w22式中:hw为流动水头损失，其关系式为22τχLa2λmρU1(B+2h1)La2λmq(B+2h1)Lh===(6)w3ρgA8ρgBh18ρgBh1B+2h1令=Λ，为断面形状参数，式(5)经化简、整理得到K1的方程为B

8、22a3Λ3K2ρ0a3ΛFr12Fr1－2JK1+[－+K2+(K2+1)+]K1－2=0(7)0ηgΔρ2J02式(4)、式(7)构成异重流潜入过渡区的理论模型，可以看出K1与单宽流量q、含沙量S、坡度J0、综合阻力系数λm、断面宽深比B/h1等多个水力因素有关，即有函数表达式K=f(q，S，J，λ，B/h)(8)10m12.2模型的求解理论模型中含有K1、K2两个未知量，采用作图