發(fā)布時(shí)間：2020-10-23 10:28

　　 研究山區(qū)河道中卵石推移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于進(jìn)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(jī)理是尋求河床沖刷深度,觀測(cè)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(yùn)動(dòng)形式以滾動(dòng)為主。由于不同粒徑顆粒的移動(dòng)距離不同,較粗顆粒移動(dòng)距離短,較細(xì)顆粒移動(dòng)距離長(zhǎng),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(hù)層以限制河床繼續(xù)沖刷。本文首先基于滾動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)顆粒的臨界起動(dòng)流速進(jìn)行了分析,得到了顆粒起動(dòng)流速公式,且用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了驗(yàn)證。并運(yùn)用數(shù)值求解的方法求解了卵石顆粒滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)模型,繪出了不同情況下卵石顆粒滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡,并得到了單步運(yùn)動(dòng)參數(shù)如單步運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)和單步運(yùn)動(dòng)時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式和期望值。然后,討論了相對(duì)暴露度概率分布對(duì)顆粒起動(dòng)的影響。據(jù)此將顆粒整個(gè)滾動(dòng)過程劃分為起始步和持續(xù)步,推求出了顆粒持續(xù)滾動(dòng)概率,發(fā)現(xiàn)持續(xù)滾動(dòng)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(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律及其與單步運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。進(jìn)一步推導(dǎo)出了非均勻卵石床面經(jīng)清水沖刷后的級(jí)配計(jì)算公式,并通過一個(gè)實(shí)際算例計(jì)算出了不同時(shí)間不同河床段經(jīng)沖刷后的級(jí)配變化情況以及沖刷穩(wěn)定后的級(jí)配曲線。本文的理論成果適用于卵石的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),為研究卵石河床的分選過程提供了一種理論計(jì)算方法,該計(jì)算方法簡(jiǎn)易可行,計(jì)算結(jié)果與其他學(xué)者的研究成果基本一致。最后,進(jìn)行了兩次卵礫石河床經(jīng)清水沖刷的物理模型實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TV142
【部分圖文】：

則顆粒A在到達(dá)顆粒B的最高點(diǎn)之前即有可能獲得足夠大的離心力而使之脫離不動(dòng)顆粒B，因此可根據(jù)具體脫離點(diǎn)的位置將單步滾動(dòng)過程分為接觸步和自由步。具體的脫離點(diǎn)位置即圖2-1中接觸點(diǎn)法向反力 0的位置，由顆粒A所處床面位置和水流底速?zèng)Q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�？梢暈閳A盤形。在水流作用下，卵石顆粒的基本滾動(dòng)過程如圖2-1所示：圖2-1 卵石顆粒單步滾動(dòng)過程由圖2-1可知，本章的卵石滾動(dòng)的理論模型是基于卵石顆粒的半接觸滾動(dòng)建立的，即在水流作用下卵石床面滾動(dòng)顆粒A先緊繞不動(dòng)顆粒B做接觸滾動(dòng)，隨后于某點(diǎn)（不一定是顆粒B的最高點(diǎn)）脫離顆粒B進(jìn)入自由運(yùn)動(dòng)，最后在自身重力作用下落回床面

第 2 章 卵石單步滾動(dòng)模型的建立9圖2-2 卵石顆粒單步滾動(dòng)過程當(dāng)卵石顆粒A做接觸滾動(dòng)時(shí)，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(diǎn)的法向反力 和切向反力 、豎向運(yùn)動(dòng)阻力 以及顆粒A在流體中做加速運(yùn)動(dòng)引起的附加質(zhì)量力 。此外，在泥沙顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于顆粒旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一種叫馬格納斯效應(yīng)的作用力，這種效應(yīng)會(huì)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(dòng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dá)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

自由運(yùn)動(dòng)受力圖
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2852914