床面附近泥沙运动的分析刘青泉1,2,周济福1,2,舒安平3(11中国科学院力学研究所,北京100080;21武汉大学水沙科学教育部重点实验室,湖北武汉430072;31清华大学水沙科学教育部重点实验室,北京100084)摘要:基于水、沙两相的分相测量试验结果,分析了床面附近泥沙颗粒的脉动和力学特性,指出床面附近的泥沙运动有着特殊的力学机制:颗粒相具有较强的非湍流脉动,其产生的脉动应力对颗粒的运动起着重要作用。论述了沙粒在水流中从推移运动到扬起悬浮的物理过程,讨论了过去一些理论中存在的问题和不足,概括了泥沙颗粒在水流中从床面扬起的基本模式,运用两相流理论分析了沙粒在水流中扬起的动力学机理。根据颗粒运动的垂向动量平衡原理,对泥沙颗粒的垂向浓度分布规律作了新的分析解释。证实了除浓度梯度之外,颗粒相的垂向脉动强度梯度中图分类号:TV142文献标识码:A文章编号:100126791(2003)052569207含沙水流运动属于固液两相流运动的范畴,研究泥沙运动的规律总是从水流对泥沙的作用入手。但由于水流紊动机制的多样性,以及颗粒与水流相互作用的复杂性,使得泥沙颗粒的运动具有很强的随机性,也使得人们对泥沙运动许多方面的认识仍不够成熟。其中泥沙颗粒的脉动特性、颗粒从床面的扬起悬浮过程、泥沙颗粒在水流中的扩散机制等一直是泥沙运动理论研究中的重要问题。受人们对湍流运动机理、固液两相相互作用认识的限制,以及两相运动实验观测手段的限制,这些方面的研究仍处在不断的探索之中。本文就床面附近泥沙颗粒的脉动特性、颗粒的扬动模式和机理、颗粒在水流中的扩散机制等几个方面进行床面附近泥沙颗粒的脉动特性1床面附近的泥沙运动层是推移质泥沙与悬移质泥沙相互转化的过渡区,这一层泥沙颗粒运动的重要性一直受到人们的重视。但由于这层泥沙主要是以推移质形式运动,大多数研究主要是针对推移质输沙率的。而对悬移质运动,主要通过床面层来决定含沙量沿垂线分布的参考点浓度。较少对推移质和悬移质两者相互转化的内在影响本质进行分析。事实上,作为推移质与悬移质运动的过渡层,床面附近的泥沙运动有着一些特殊的力学笔者曾用激光多普勒分相流速仪,对明渠水槽(长、宽、水深分别为700cm、25cm、817cm)和水平方管(长、宽、高分别为140cm、310cm、115cm)中水、沙两相流的两相脉动特性进行了实验观测1。由试验结果可以看出,泥沙颗粒的脉动强度在大部分区域都小于水流脉动强度,正是由于泥沙运动是在水流作用下进行的,其脉动也主要由水流的湍流脉动所带动。在充分发展的流动中,颗粒脉动一般都小于水流的湍流脉动。但值得收稿日期:2002207201;修订日期:2002208230基金项目:国家自然科学基金资助项目(10002023);武汉大学水沙科学教育部重点实验室开放研究基金资助项目(2002WU202)作者简介:刘青泉(1965-),男,山西侯马人,中国科学院力学研究所研究员,博士,主要从事环境流体力学研究。来解释,说明在床面附近,颗粒的脉动具有一些特殊机制。在固2液两相流中,颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间难免碰撞,必然存在着由此产生的无规则运动。刘大有认为,这也是颗粒的一种脉动形式。即颗粒的脉动具有多种形式,除了跟随水流的湍流脉动之外,还具等2其它脉动形式。如颗粒的跃移,颗粒与颗粒、颗粒与固壁碰撞产生的无规则运动,以及床面不平整产生局部水流分离,对颗粒产生的卷扬运动,同样会产生颗粒脉动,这类脉动与湍流脉动有着不同的物理机制。对于颗粒浓度较低的流动,颗粒之间的碰撞很微弱,由此引起的颗粒脉动相对于湍流脉动完全可以忽略。而在床面附近,颗粒浓度通常比较大,颗粒之间的碰撞则比较强,且即使颗粒浓度低,颗粒之间的碰撞可以忽略,而颗粒与壁面的碰撞仍比较剧烈,由此引起的脉动仍比较强。这种颗粒脉动通常可达到与湍流脉动同量级,甚至还会大于湍流脉动(床面附近湍流脉动往往较小)。因此,床面附近颗粒脉动的主要特点是,除了具有水流紊动引起的湍流脉动外,还存在着由于颗粒与颗粒、颗粒与壁面碰撞等其它方式引起的非湍流脉动,致使颗粒的脉动强度往往会大于水流的脉动强度。将群体颗粒运动看作连续介质运动,则颗粒脉动就会产生脉动应力,对颗粒的运动具有重要影响。根据脉动形式的不同,可以将颗粒的脉动应力分解为湍流脉...