水流紊动对泥沙絮凝影响的研究综述

(重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

水流紊动对泥沙絮凝影响的研究综述

张凌越

(重庆交通大学河海学院重庆400074)

细沙絮凝规律的研究是一个复杂的问题，本文对紊动作用对絮团的沉降速度，絮团的粒径以及絮凝时间的影响三方面进行了总结。经过对国内外专业相关文献的调研，可以得出的大体结论是水体紊动对絮凝起促进作用，当达到某一临界值后，随着紊动强度的增加，水体的紊动对絮凝起破坏作用。

紊动；絮凝；粘性泥沙

在河口海岸环境中，粘性泥沙的絮凝造成航道淤积，阻碍航道内船只的正常航行。因此对于细颗粒粘性泥沙絮凝规律的研究十分重要。絮团是液体中的介质在布朗运动、差速沉降、水流紊动等条件下引起碰撞、接触，使得一定比率的颗粒粘结在一起而形成的，这一过程称之为絮凝[1][2]。影响泥沙絮凝的因素有很多，水流的紊动作用是影响泥沙絮凝的重要因素[3]。本文对国内外关于水流的紊动作用对絮凝各方面的影响进行回顾和总结。

一、紊动对絮凝的影响

(一)紊动对泥沙絮凝沉速的影响

早期工程设计中水流的携沙能力一般采用泥沙的静水沉速。显然泥沙在紊动水流中采用静水沉降速度不合适，严镜海[4]分析计算了对于潮汐水流紊动作用下的泥沙沉速：[4]

(1)

(2)

(3)

J.C.Winterwerp[5]等通过拉格朗日模型，推导出在紊动条件下絮凝沉速的启发性公式：

(4)

其中h，t，c为沉积参数，絮团的物理参数D0，m，nf；k2k3k4为经验系数。m，nf可以单独确定。该模型预测的结果和实际测量的结果的相对误差在30%至50%之间，虽然误差稍微有些大，但趋势基本正确。

上述研究主要是宏观上的模拟和研究；张金凤[6]等人运用LB方法建立三维数值模型，从微观尺度模拟水流和泥沙的运动，发现在紊动剪切率G=200s-1之前随着紊动剪切率的增加，沉速不断地增加，而在紊动剪切率G=200s-1之后，随着紊动剪切率的增加而减小。

(二)紊动对泥沙絮凝时间的影响

张金凤[6]等利用三维数值模型发现3.75s时第一个絮团形成，随着紊动剪切率不断增加，形成絮团的时间越短，同样分界点为G=200s-1，当超过了这个临界点时，絮团形成的时间变长，随着紊动作用的增强，絮团个数减少，絮团破裂。

柴朝晖[7]等利用matlab编程模拟细沙的絮凝过程，研究了不同紊动强度下絮凝速度的变化规律和竖直方向上絮凝速度在空间上的变化。发现絮凝速度随时间的变化规律可以分为加速阶段，等速阶段，减速阶段；在等速阶段絮团个数随着紊动强度的增加先增加后减小；在紊动强度比较小的时候，紊动强度的增加促进泥沙颗粒之间的碰撞，此时切应力比较小，促进絮凝，在紊动强度不大的时候，等速阶段絮凝时间稍微长一些；反之随着紊动作用的增强，絮团开始破裂，更快进入减速阶段。其中紊流主要是在等速阶段作用时间不同，影响粘性泥沙的絮凝过程[7]。

沿竖直方向上，将研究区域划分成上、中、下三个区域。当其他条件相同时，中部区域较早地进入稳定阶段，下部区域与上部区域泥沙絮凝速度的情况基本相同。

(三)紊动对絮团粒径的影响

乔光全等[8]利用格栅紊流实验对泥沙絮凝过程进行了模拟。发现絮团粒径随着紊动强度的增大呈现先增大在减小的趋势。同时他们还对比了淡水和盐水中对絮团粒径的影响，即盐度较大的水体中絮团的粒径比淡水中的絮团粒径要大。

同样柴朝晖[7]对于絮团粒径的空间变化也做了研究和分析。下部区域：紊动作用较小时，促进絮团生成，絮团的平均粒径随着紊动强度的增加而增加，但是随着紊动强度不断增加，平均粒径开始减小。絮凝过程中平均粒径随时间的变化过程也分为三个阶段：加速增长阶段，匀速增长阶段，减速增长阶段。主要考虑匀速增长阶段，刚开始紊动作用使泥沙颗粒发生碰撞发生粘结，紊动切应力对絮团的破坏不太明显，中部区域和上部区域絮团的平均粒径相差不大，水流纵向时均流速垂向分布呈指数分布，因此下部区域的流速比较小，中部及上部区域流速相差不大。随着紊动作用增强，相应的对絮团的破坏作用增强，中部区域的絮团破坏较大，粒径分布范围较窄，故中部区域的絮团的平均粒径最小。最终稳定后，中部区域的絮团平均粒径最小，上部区域的絮团平均粒径最大，下部区域絮团的平均粒径介于上部区域和中部区域之间。

二、结论

本文主要是对国内外关于水流的紊动作用对絮凝各方面的影响进行回顾和总结。针对紊动作用对絮团的沉降速度，絮团的粒径以及絮凝时间三方面的影响进行总结。迄今为止研究分析表明的水体紊动对泥沙絮凝的影响基本一致的，即低紊动促进，高紊动破坏。

[1]杨铁笙，熊阳忠，詹秀玲，杨美卿.粘性细颗粒泥沙絮凝研究概述[J].水利水运工程学报,2003,(2):65-77.

[2]张庆河，王殿志，赵子丹等.粘性泥沙絮凝研究评述(1):絮凝机理与絮团特性[J].海洋通报,2001,20(2):80-90.

[3]杨美卿,钱宁.紊动对细泥沙浆液絮凝结构的影响[J].水利学报,1986,(8):21-30.

[4]严镜海.潮汐水流中细颗粒泥沙絮凝沉降的初步探讨[J].泥沙研究,1988,(4):10-22.

[5]Winterwerp J.C，Manning A.J，Martens C，et al.A heuristic formula for turbulence-induced flocculation of cohesive sediment[J].Estuarine，Coastal and Shelf Science,2006,68(1/2):195-207.

[6]张金凤，张庆河，乔光全.水体紊动对黏性泥沙絮凝影响研究[J].水利学报,2013,44(1):67-82.

[7]柴朝晖，杨国录，余明辉等.紊流对粘性细颗粒泥沙絮凝影响[J].水科学进展,2012,23(6):808-814.

[8]乔光全，张金凤，张庆河等.紊动对黏性泥沙絮凝沉降印象的实验研究[J].天津大学学报,2014,47(9):811-816.