均匀切变水流对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响研究-论文.pdf

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1、水利学报2012年l0月SHUILIXUEBA0第43卷第1O期文章编号：0559—9350(2012)10—1194—08均匀切变水流对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响研究柴朝晖，杨国录’2陈萌1t余明辉(1．武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072；2．武汉大学一宇星公司水利环境工程技术研究中心，湖北武汉430072)摘要：黏性细颗粒泥沙的絮凝是河流动力学中一个重要且尚未完善的研究课题。本文以分形聚集生长理论为基础，考虑了絮团破碎、泥沙浓度等因素的影响，使用三维无网格方法，在MATLAB平台上通过模拟泥沙颗粒和絮团在布朗运动、重力沉降和均匀切变水流作用下的

2、碰撞黏结过程，研究了水流剪切作用对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响。研究结果表明：水流作用可提高颗粒之间的碰撞几率，促进絮凝，但高水流剪切力作用下絮团破碎现象明显，因此，水流速度梯度的大小对细颗粒泥沙的絮凝有一定的影响，即絮凝速度及絮团平均粒径随水流流速梯度的增大呈先增后减的规律；均匀切变水流作用下，絮团粒径分布均匀化，絮团在垂直水流方向上发育较好且分形维数较大。本文研究成果是进一步研究天然河道中黏性细颗粒泥沙絮凝机理的成功尝试。关键词：黏性细颗粒泥沙；均匀切变水流；三维模拟；速度梯度；分形维数中图分类号：TV149．2文献标识码：A1研究背景黏性细颗粒泥沙一般是黏土、淤泥及有机物和

3、水的混合物，由于粒径较小、电化学性质和生物化学作用显著，黏性细颗粒泥沙会黏结形成絮团一起运动。泥沙絮凝改变了泥沙的沉降性能，影响河床的冲淤变化，而且泥沙絮团疏松多孔的结构在一定程度上影响着水体中污染物的释放和迁移。因此，在黏性细颗粒泥沙含量较高的河口、湖泊泥沙运动及工程泥沙问题中，絮凝研究是一个重要的研究课题。絮凝过程主要包括颗粒之间的碰撞和黏结，布朗运动、重力沉降和水流剪切作用是引起泥沙细颗粒发生碰撞的主要作用力，影响着黏性细颗粒泥沙的絮凝。关于布朗运动和重力沉降对黏性细颗粒泥沙絮凝影响的研究较多，包括室内试验和数值模拟。而关于水流剪切作用对絮凝影响的研究，大多数是机械搅拌

4、作用下的室内试验，如xu等使用铝盐作为絮凝剂研究了剪切力对细颗粒絮凝的影响；Serra等研究了不同剪切装置对絮凝的影响；虽然Son等、Winterwerp等学者通过数值模拟研究了水流作用下细颗粒泥沙的絮凝，但均是基于Smoluchowski絮凝动力学方程进行模拟，只能研究某个变量随时间的变化规律，无法了解絮团的形成过程及其形态变化。因此，为了深入研究水流作用对细颗粒泥沙絮凝发育过程及絮团结构形态的影响，本文基于分形聚集理论，利用三维无网格方法，在考虑絮团破碎的前提下，模拟了细颗粒泥沙在布朗运动、重力沉降及均匀切变水流作用下的絮凝发育过程，最后根据数值模拟结果探讨了均匀切变水流

5、对细颗粒泥沙絮凝速度、絮团尺寸及结构形态的影响。收稿日期：2011-09—06基金项目：国家重点基础科学研究(973)计划资助项目(2Ol1CB403300)；国家自然科学基金项目(11072180)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2O122O6O20202)作者简介：柴朝晖(1986一)，男，河北魏县人，博士生，主要从事泥水环境研究。E-mail：a3515522@126．com—l194—2三维无网格模型基于絮体分形聚集成长模型，在MATLAB平台上模拟了黏性细颗粒泥沙的絮凝。模型中假设初始泥沙颗粒为球形，且均一分布。模拟在40d。x40dox100d(为泥沙初始粒

6、径)的长方体区域内进行。程序运行前，由自编的子函数将泥沙颗粒随机均匀分布在模拟区域内，并生成数据文件，通过调用此数据文件保证程序每次运行时泥沙颗粒的初始位置相同，从而使模拟结果更具可比性。由于河口地区盐度较高，泥沙颗粒双电层较薄，势垒较小，因此对于泥沙颗粒(絮团)之间的碰撞和黏结，文中采用分形聚集生长模型中的模拟方法，即：当颗粒(絮团)之间的距离小于某一定值时，颗粒(絮团)之间即发生碰撞，碰撞后黏结成一个絮团，其后，该絮团作为一个整体运动，与其他颗粒或絮团继续碰撞黏结；对于剪切力作用下的絮团破碎，其破碎后生成的絮团有3种形式：2个尺寸相近的子絮团、3个尺寸相近的子絮团和呈正态

7、分布的子絮团，且这3种破碎方式对絮凝后絮团性质的影响差别不大，因此模型中采用较为简单的第1种方式，即生成2个尺寸相似的子絮团，破碎位置则通过计算2个子絮团的粒径及其在3个方向上的发育情况确定。为了保证模拟区域内泥沙质量守恒及提高模型的真实性，模型水平和】，方向上采用周期性边界，也就是说，当泥沙颗粒或絮团在水平(和l，)方向上运动出模拟区域时，则从其相反的界面重新进入；竖直z方向上采用沉积性边界，所谓沉积性边界是指颗粒或絮团会在底部沉积，不会运动出模拟区域。当颗粒或絮团沉降到底部时，保持其前一时刻的位置和