一種懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法，該方法先假定恒定狀態(tài)、水流方向無濃度梯度條件下簡(jiǎn)化擴(kuò)散方程，然后根據(jù)泥沙擴(kuò)散理論做出假設(shè)，通過ADV得到瞬時(shí)流速和與流速同步的瞬時(shí)含沙量，最后得到懸移質(zhì)泥沙群體的沉速，本發(fā)明可同時(shí)適用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)，針對(duì)細(xì)顆粒懸移質(zhì)，不管實(shí)際中是否發(fā)生絮凝，該方法都能適用，該方法可以測(cè)得沉速沿水深的分布以及沉速隨含沙量的變化，較傳統(tǒng)的測(cè)量方法效果更好。
【專利說明】一種懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于泥沙顆粒沉速研究領(lǐng)域，尤其涉及一種懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在細(xì)顆粒泥沙的四個(gè)主要物理過程，即侵蝕、沉降、沉積和固結(jié)過程中，沉降速度對(duì)于認(rèn)識(shí)和模擬泥沙的輸移是尤為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。泥沙顆粒沉速的理論研究中，單顆粒的沉降特性已基本明確，粗顆粒的沉降主要受慣性控制，繞流阻力系數(shù)為常數(shù)，雷諾數(shù)較高(Re > 103)，而細(xì)顆粒的沉降則主要受粘性控制，一般采用適用于低雷諾數(shù)(Re <= 0.4)的Stokes公式。對(duì)于懸移質(zhì)，尤其是較細(xì)的粘性砂和粉砂，在沉降過程中受布朗運(yùn)動(dòng)、差速沉降及水流紊動(dòng)的影響可能發(fā)生絮凝，其沉速的變化可達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)，很難基于理論分析直接求解其沉速，Stokes公式也不再適用。
[0003]研究顆粒群體沉速的方法可以分為兩大類:沉降試驗(yàn)和流態(tài)化試驗(yàn)。流態(tài)化方法讓流體在垂直容器中自下而上地流動(dòng)，使得容器內(nèi)的固體顆粒以一定的濃度懸浮在流體中，此時(shí)流體的斷面平均流速即為相應(yīng)濃度顆粒的群體沉速，避免了繁瑣而粗糙的沉速計(jì)算過程。但該方法僅適用于粒徑相對(duì)較粗的顆粒，對(duì)于沉速較小的細(xì)顆粒，試驗(yàn)中很難控制也不易觀察其是否達(dá)到了穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)。此外，細(xì)顆粒泥沙容易產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，流態(tài)化方法很難避免對(duì)絮凝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生紊動(dòng)剪切等影響。傳統(tǒng)的沉降試驗(yàn)法，如底抽管法或者重復(fù)深度吸管法，先讓固體顆粒在流體介質(zhì)中沉降，然后間隔固定時(shí)間從沉降筒的不同深度取樣，并測(cè)量樣本的顆粒濃度得到濃度分布及變化過程，進(jìn)而推求沉速。此方法比較粗糙，沉速計(jì)算精度較低，而且不同的取樣方法都會(huì)對(duì)顆粒沉降產(chǎn)生或多或少的干擾，對(duì)細(xì)顆粒泥沙的干擾尤其明顯。例如，歐文管(Owen，1971)類型的接觸式測(cè)量，通過取樣測(cè)算濃度進(jìn)而計(jì)算沉速，對(duì)個(gè)人操作較為敏感(如每次取樣快慢不同等)、低濃度時(shí)精度較差(樣本顆粒數(shù)較少不易測(cè)量)，尤其對(duì)細(xì)沙而言，取樣容易破壞絮凝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的沉速會(huì)比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得值小 I 至 2 個(gè)數(shù)量級(jí)(Manning, 2004a ；0wen, 1971)。Mantovanelli (2005)研發(fā)的SEDVEL(Sedimentation Velocity)是較新的一種接觸式測(cè)量設(shè)備,通過取樣檢測(cè)高靈敏度位移變化來估算沉降泥沙質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算沉速，但只適用于低濃度。粒子圖像技術(shù)在亮背景上拍攝暗色泥沙顆粒(或相反)以捕捉顆粒的運(yùn)動(dòng)來計(jì)算沉速，如INSSEV(Manning etal., 2004b) >VIS (Van Leussen and Cornelisse, 1993)、PIV測(cè)泥沙沉速(金文等,2005)等。該方法能測(cè)得絮凝結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，可適用較高的濃度，但不能直接測(cè)量濃度，且觀測(cè)窗口的尺度只有毫米的量級(jí)，受分辨率的限制，可觀測(cè)到的粒徑僅限于0.02?0.1mm0較新的激光衍射測(cè)量技術(shù)(Mikkelsen and Pejrup, 2001 ；Fugate and Friedrichs, 2002 ;等)，其缺陷是只能在低濃度條件下工作(0.2?0.5kg/m3),適用的粒徑范圍是0.005mm?0.56mm,太細(xì)或者太粗的顆粒都會(huì)影響測(cè)量的精度，目前應(yīng)用不多。
[0004]此外，上述測(cè)量?jī)x器和方法多集中于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研究，同時(shí)適用于實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法較少。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法，旨在解決現(xiàn)有的泥沙群體沉速測(cè)量方法適用范圍窄、測(cè)量精度低的問題。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法，根據(jù)泥沙擴(kuò)散理論間接測(cè)得，紊流中的細(xì)顆粒泥沙，一方面因各層水團(tuán)交換而引起泥沙的交換，另一方面因重力作用而發(fā)生沉降，當(dāng)二者達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，可用擴(kuò)散方程描述。假定恒定狀態(tài)，并且水流方向無濃度梯度，則擴(kuò)散方程可簡(jiǎn)化為:
[0007]ω Sv+ ε ydSv/dy = O⑴
[0008]式中:ω是泥沙沉速，Sv是泥沙濃度，ε y是泥沙擴(kuò)散系數(shù)。
[0009]可以看出，如果泥沙濃度和擴(kuò)散系數(shù)已知的話，即可獲得泥沙的沉速。
[0010]根據(jù)泥沙的擴(kuò)散理論，一般有如下假定:
[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法，其特征在于，所述的懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法，先假定恒定狀態(tài)、水流方向無濃度梯度條件下簡(jiǎn)化擴(kuò)散方程，然后根據(jù)泥沙擴(kuò)散理論做出假設(shè)，通過ADV得到瞬時(shí)流速和與流速同步的瞬時(shí)含沙量，最后得到懸移質(zhì)泥沙群體的沉速。
2.如權(quán)利要求1所述的懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法，其特征在于，具體步驟如下: 第一步，根據(jù)泥沙擴(kuò)散理論間接測(cè)得，紊流中的細(xì)顆粒泥沙，一方面因各層水團(tuán)交換而引起泥沙的交換，另一方面因重力作用而發(fā)生沉降，當(dāng)二者達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，可用擴(kuò)散方程描述；假定恒定狀態(tài)，并且水流方向無濃度梯度，則擴(kuò)散方程可簡(jiǎn)化為:ω Sv+ ε ydSv/dy = O(I) 式中:ω是泥沙沉速，Sv是泥沙濃度，ε y是泥沙擴(kuò)散系數(shù)； 第二步，根據(jù)泥沙的擴(kuò)散理論，一般有如下假定: -sydSjdy = v'S'v(2) 式中為垂向流速，上標(biāo)^和-分別代表脈動(dòng)值和平均值； ⑴、⑵兩式合并可得:(3)
o)Sv=vSv 第三步，由ADV直接測(cè)得瞬時(shí)流速，而瞬時(shí)含沙量則需標(biāo)定聲波強(qiáng)度和含沙量的關(guān)系，根據(jù)事先標(biāo)定好的關(guān)系，將聲波強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為含沙量，得到與流速同步的瞬時(shí)含沙量； 第四步，根據(jù)公式(3)得出懸移質(zhì)泥沙群體沉速。
3.如權(quán)利要求1所述的懸移質(zhì)泥沙群體沉速的檢測(cè)方法，其特征在于，ADV用于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，需要分別進(jìn)行標(biāo)定聲強(qiáng)和含沙量的關(guān)系。
【文檔編號(hào)】G01P5/00GK103675328SQ201310638693
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】胡江, 付旭輝, 楊勝發(fā), 李文杰, 陳陽, 吳國茂, 徐威震, 李斌強(qiáng) 申請(qǐng)人:重慶交通大學(xué)