清水沖刷下非均勻卵石床面分選過程的理論與實驗研究

發(fā)布時間：2020-10-23 10:28

　　研究山區(qū)河道中卵石推移質(zhì)的運動規(guī)律對于進一步研究山區(qū)河流阻力規(guī)律,從而治理好山區(qū)河道具有重要意義。探討河床的沖刷粗化機理是尋求河床沖刷深度,觀測水位降低和河相變化的關(guān)鍵。在一定的水流條件下,卵石河床上的推移質(zhì)的運動形式以滾動為主。由于不同粒徑顆粒的移動距離不同,較粗顆粒移動距離短,較細顆粒移動距離長,床面泥沙將發(fā)生分選,最終沖刷穩(wěn)定,在河床表面形成以粒徑較粗的顆粒為主體的抗沖粗化保護層以限制河床繼續(xù)沖刷。本文首先基于滾動力學(xué)模型,對顆粒的臨界起動流速進行了分析,得到了顆粒起動流速公式,且用實測資料進行了驗證。并運用數(shù)值求解的方法求解了卵石顆粒滾動運動的力學(xué)模型,繪出了不同情況下卵石顆粒滾動運動的運動軌跡,并得到了單步運動參數(shù)如單步運動步長和單步運動時間的數(shù)學(xué)表達式和期望值。然后,討論了相對暴露度概率分布對顆粒起動的影響。據(jù)此將顆粒整個滾動過程劃分為起始步和持續(xù)步,推求出了顆粒持續(xù)滾動概率,發(fā)現(xiàn)持續(xù)滾動概率僅是水流流速和顆粒粒徑的函數(shù),并求出了顆粒單次運動的統(tǒng)計規(guī)律及其與單步運動之間的關(guān)系。進一步推導(dǎo)出了非均勻卵石床面經(jīng)清水沖刷后的級配計算公式,并通過一個實際算例計算出了不同時間不同河床段經(jīng)沖刷后的級配變化情況以及沖刷穩(wěn)定后的級配曲線。本文的理論成果適用于卵石的滾動運動,為研究卵石河床的分選過程提供了一種理論計算方法,該計算方法簡易可行,計算結(jié)果與其他學(xué)者的研究成果基本一致。最后,進行了兩次卵礫石河床經(jīng)清水沖刷的物理模型實驗,觀察了不同河道中不同組成成分的卵礫石床面在清水沖刷下的分選粗化現(xiàn)象,并將上述提出的理論公式與實驗實測資料進行對比驗證,結(jié)果誤差較小,較為可信。
【學(xué)位單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TV142
【部分圖文】：

過程圖,卵石,單步,顆粒

則顆粒A在到達顆粒B的最高點之前即有可能獲得足夠大的離心力而使之脫離不動顆粒B，因此可根據(jù)具體脫離點的位置將單步滾動過程分為接觸步和自由步。具體的脫離點位置即圖2-1中接觸點法向反力 0的位置，由顆粒A所處床面位置和水流底速決定。不失一般性，將卵石顆粒概化為球形。由于本文建立的模型為二維模型，所以卵石顆粒可視為圓盤形。在水流作用下，卵石顆粒的基本滾動過程如圖2-1所示：圖2-1 卵石顆粒單步滾動過程由圖2-1可知，本章的卵石滾動的理論模型是基于卵石顆粒的半接觸滾動建立的，即在水流作用下卵石床面滾動顆粒A先緊繞不動顆粒B做接觸滾動，隨后于某點（不一定是顆粒B的最高點）脫離顆粒B進入自由運動，最后在自身重力作用下落回床面

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第 2 章卵石單步滾動模型的建立9圖2-2 卵石顆粒單步滾動過程當(dāng)卵石顆粒A做接觸滾動時，受到的主要作用力有水流拖曳力、水流上舉力、水下重力 ′、離心力 ( )2、顆粒A與顆粒B接觸點的法向反力和切向反力、豎向運動阻力以及顆粒A在流體中做加速運動引起的附加質(zhì)量力。此外，在泥沙顆粒運動時，由于顆粒旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生一種叫馬格納斯效應(yīng)的作用力，這種效應(yīng)會在一定程度上產(chǎn)生一部分上舉力，不過由于粒徑較大的卵石顆粒在床面上受到的上舉力比較大，而由于顆粒滾動運動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)速度卻并不是很大，因此在研究粒徑較大的卵石顆粒滾動運動時可忽略這種效應(yīng)，但是在研究粒徑較小的沙或是礫石的躍移運動時，由于在水流作用下的旋轉(zhuǎn)速度較大，因此則不能忽略馬格納斯效應(yīng)。以上各力表達式如下所示： 2212bD Du uF C A D (2-1) 2222bL Lu uF C A D (2-2) 33'SW A gD(2-3)24322mdF A Ddt (2-4)2 222yCA D v (2-5)其中

受力圖,自由運動,受力圖,接觸點