文章编号 :100722284 ( 2006) 0920025203
颗 粒 粒 度 均 匀 性 分 布 规 律 的 试 验 研 究
周家俞1 ，尹崇清1 ，王召兵1 ，吴门伍2 ，罗剑峰3 ，吴金
萍4
(1 . 重庆交通大学西南水运工程科学研究所 ，重庆 400016 ;2 . 珠江水利委员会科学研究所 , 广州 510611 ;
introduction是什么意思摘 要 ：挟沙水流中的泥沙颗粒运动是随机的 ，所以在水流中的某一位置的泥沙组成有粗有细 ，同时不同位置粗细 颗粒的均匀程度是不一样的 。通过水槽试验研究了不同泥沙浓度及水流条件对泥沙颗粒均匀性沿垂向分布规律的影 响 ，试验表明 ，在泥沙浓度或者水流条件较小的情况下 ，非均匀系数沿垂向分布是逐渐增大的 ，即越接近床面 ，颗粒越均 匀 ，非均匀系数越接近 1 . 0 ，然而在浓度较高和水流条件同时作用的情况下 ，在床面附近出现了非均匀系数最小值 。
关键词 ：粒度 ；非均匀系数 ；挟沙水流 ；泥沙浓度 ；水流条件 中图分类号 : T V149 . 2
文献标识码 : A
Exper i mental St udy on the Distribution La w of G ranule U n if or mity
pullupZH O U Jia 2yu 1
, Y IN Chong 2qing 1
, WA NG Z hao 2bing 1
, W U M en 2w u 2
, L U O Jian 2f e ng 3
, WU Jin 2yan
4
(1 . S o u t h we st er n Wat er way Engineering Re s earch In stit u t e , Cho n gqing J i ao t o n g U n iver s it y , Cho n gqing 400016 , China ;
2 . S cient if ; %95 %95ic Re s ea r ch In stit u t e of Pea r l River Water Re s o u rces C o m mi s sio n , Gua n gzho u 510611 ;
3 . J i a n gxi Pro v i n cial Navigatio n al Reco n nai s sance , De s ign and Rea r ch In stit u t e , Na n cha n g 330009 ;
4 . Do w n st r ea m Hydrolo g y and Water Reso u rce Sur vey Burea u of Ya n gt ze River , Nanji n g 210011)
Abstract : Sediment p a r ticle s mo ve at ra nd o m in t he diment 2laden f lo w . Th us , t he gran ule co mpo nent of t he diment i s chang ing wit h t he p ropo rtio n of f ine a nd co ur diment s alo ng t he river f lo w , and t he unifo r mit y of t he p a r ticle s i s diff erent at d i f f e rent p lace . In t hi s p ap er , we have st udied t he di st ribut io n law of gran ule unifo r mit y alo ng dep t h under diff erent diment co n cent r atio n s , a nd hydraulic co ndit io n s in f l ume. The result s sho w t h at w hen t he co ncent ratio n a nd t he velocit y a re small , t he unifo r m it y increa s es alo ng t he dep t h , diment co n cent ratio n a nd t he h ydra ulic co nditio n ; but w hen t he co n cent ratio n a nd velo cit y a re high , t h e u nifo r m i 2 t y decrea s e s wit h t h e dep t h .
K ey word : gra n ularit y ; unifo r m it y ; diment 2laden f l o w ; diment co n cent r atio n ; hyd
ra u lic co n ditio n
沙组成均匀与否也是不可忽略的 。无论是在实际工程问题中 , 还是在进行物理模型或者数学模型中 ，泥沙颗粒粒度的大小或 者泥沙组成的均匀程度 ，直接影响着试验和计算结果 。自 1937 年 H . A . Ein st eim 开始利用概率论 [ 1 ] 方法研究泥沙运动以来 , 很多泥沙研究者虽然也逐步认识到泥沙运动具有偶然性的一 面 。到目前为止 ，不论是单纯的力学研究 ，还是统计理论的研 究 ，大多只考虑均匀沙 ，而实际情况则是非均匀沙 ，不能反映悬 移质 、推移质以及床沙质的级配变化规律 ，也就是泥沙组成的 均匀程度 。目前所研究的粒度分布多为对沉积物 、粉尘等 ，对
1 概 述
挟沙水流中泥沙颗粒分布是一个重要研究问题之一 ，而泥
收稿日期 :2005210208 基金项 目 :“973 ”项 目 ( 2003 CB415205 ) ; 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目
( 50479036) ；湖北省创新群体基金项目 ( 2003ABA195) ;
博士点基金项目 ( 20020486017) 资助 。
作者简介 ：周家俞 ( 19792) ，男 ，助理研究员 。
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表1 挟沙水流的实验参数
于挟沙水流中的泥沙颗粒研究还不是很多，尤其是对于泥沙颗
粒的均匀性分布。泥沙颗粒粒度分布一般存在如下规律: 通常
泥沙颗粒粒径沿垂线分布呈“上细下粗”, 即越是靠近水面，泥
沙颗粒就越细，反之亦然。然而泥沙颗粒组成的均匀性与其并
不完全一致。孟晓刚[ 2 ] 、倪晋仁[ 3 ] 、曲轶众[ 4 ] 等研究者从力学
角度、颗粒之间的相互作用以及不同浓度的条件下, 对泥沙颗
粒分选模型和机理进行了一系列的探讨。粒度分布测定法: 可
分为直接和间接测定两大类[ 5 ] ，属于前者的有筛分法和观察计
法。后者的有：沉降法、电感应法、面动的光散射法、光衍射法、
流体力学色谱法等，本文将针对泥沙颗粒组成的均匀性沿垂向
分布进行研究。
流量Q /
(L 〃s - 1 )
水深H /
cm
比降
J / 10 - 3
温度T /
℃
雷诺数
Re/ 104
浓度S /
astronaut是什么意思
(k g 〃m - 3 )
测次
0423 31. 50 11. 3 1 25. 0 4. 837 0. 82
0427 50. 00 13. 6 1 22. 0 6. 746 0. 91
0429 22. 63 11. 1 1 23. 5 3. 377 0. 77
0504 22. 64 11. 1 1 20. 3～20. 5 3. 151 2. 23
0507 31. 53 11. 3 1 21. 0 4. 418 2. 30
0511 40. 25 13. 2 1 23. 0～23. 0 5. 550 2. 41
0520 22. 60 11. 1 1 22. 0 3. 260 1. 72
2 试验及试验参数
试验在宽、高各为0 . 5 m ，长为33 m 的可变底坡的玻璃水0524 31. 51 11. 3 1 23. 0～24. 0 4. 676 2. 44
0527 40. 22 13. 2 1 24. 0 5. 740 3. 03
槽中进行，见图1 。试验中控制床面有一定程度的淤积，使得悬
移质泥沙与床沙有交换，产生泥沙颗粒的随机性。0625 48. 00 13. 5 1 26. 5 7. 182 3. 36
0627 29. 84 9. 0 1 25. 5 4. 833 2. 25
0705 50. 52 12. 3 1 26. 0～29. 0 7. 981 4. 55
0708 60. 03 14. 3 1 27. 0～29. 0 9. 100 4. 61
0713 63. 00 15. 3 1 27. 0～29. 0 9. 320 5. 00
0718 66. 50 15. 5 1 26. 0～28. 5 9. 675 4. 44
0721 63. 00 15. 4 1 28. 5～29. 0 9. 420 3. 20 图1 水槽试验装置
试验采用中值粒径d50 = 0 . 064 mm 的非均匀沙，非均匀系
数[ 6 ]φ=d75 / d25 , 实验中控制床面有一定程度的淤积，同时
保证水流为二维均匀流, 宽深比B/ H ≤4 , 且上下游控制水深
差不超过2 mm 。泥沙级配曲线见图2 。
图3 非均匀系数φ沿垂向分布Ⅰ
423 、507 二测次水流雷诺数分别为4 . 837 ×104 和4 . 418 ×104 ,
泥沙浓度分别为0 . 82 k g/ m3 和2 . 3 k g/ m3 ，水流雷诺数和泥沙
浓度相对而言，浓度的影响比水流雷诺数的影响更突出，可以
看出，两者的非均匀系数在沿垂向上逐渐增加，表明在距离床
面一定范围，泥沙颗粒组成相对底部变得均匀; 图3 ( b) 是429 、
504 两测次非均匀系数沿垂向的分布, 其水流雷诺数分别为
3 . 377 ×10
4 和3 . 151 ×104 ，泥沙浓度分别为0 . 77 k g/ m3 、2 . 23
kg/ m3 ，同样存在图3 (a) 所表现出来的规律。从两组资料对比
可以得出，泥沙取样非均匀系数φ均随水深h 的增加而增大, 即
越靠近水面, 泥沙组成越不均匀, 是所谓的宽级配泥沙, 反之亦
然。同时在相同水流条件的情况下, 泥沙浓度增大, 使得处于扩
散区的泥沙变得更加不均匀, 非均匀系数φ变大，而在水流近
壁区没有明显的变化。
3 .2 水流条件对φ的影响
图4 (a) 是511 和524 两测次非均匀系数沿垂向的分布。
可以看出,511 和524 测次的泥沙浓度分别为2 . 41 k g/ m3 和图2 泥沙级配曲线
流量采用电磁流量计测控，浓度采用取样烘干称重方法测
量，选用粒径计法和移液管法对颗粒级配进行分析。
试验组次系列，试验参数整理如表1 所示。
试验资料分析
对于同一种试验泥沙颗粒，影响其分选的因素主要是泥沙
鹤立鸡群是什么意思
流星 日剧
浓度和水流条件，本文主要通过试验资料对这两个方面因素进
行分析。
3 .1 泥沙浓度对φ的影响
图3 ( a )是423和507两测次非均匀系数沿垂向的分布。
3
图4 非均匀系数φ沿垂向分布Ⅱ
2 . 44 k g/ m
3 ，浓度相差1 % ，其水流条件强弱( 这里用指标水流雷诺数Re) 分别是5 . 55 ×10
4 和4 . 67 ×104 ; 所表现出来的是: 相同垂向位置,511 测次的泥沙非均匀系数较524 大，即该位置的泥沙组成不均匀，级配范围较宽。图4 ( b) 是504 和507 测次
非均匀系数分布情况，其泥沙浓度相差仅有3 % ，雷诺数Re 分别是3 . 15 ×104 和4 . 42 ×104 ，在这种情况下，可以认为在浓度误差不到3 %的情况下，不会影响水流强度对非均匀系数φ的分布规律。
故从图可以看出，非均匀系数除了随水深的增加而增加的规律外，同样是在扩散区变化较为明显。可见水流条件越强，对泥沙颗粒组成非均匀系数影响越大。当取样点达到一定水深即越靠近水面, 泥沙组成越不均匀, 是所谓的宽级配泥沙。
3 .3 浓度和水流条件同时影响格莱美获奖歌曲
图5 是泥沙浓度较高, 水流强度也相对较强的挟沙水流。泥沙浓度均大于4 . 4 kg/ m3 ，而水流雷诺数Re 大于8 . 0 ×104 。此时的泥沙颗粒非均匀系数与前述的有所差别。变化规律是沿着水深方向先减小达到最小值, 随之逐渐增大。与水流紊动强度沿垂向分布恰恰相反。出现这种现象, 主要原因是: 在非常接近床面位置的泥沙颗粒, 与床面交换的频率比较高, 在加上床面附近的泥沙粗颗粒的比例相对较高, 水流向上的瞬时紊速很难将其抬升, 而隐蔽在粗颗粒下面的细颗粒也同样如此。而随着水深的增加, 此时水流紊动强度有所减弱, 而相同的粗颗粒也就很难全部抬升到此高度, 细颗粒可以悬浮, 故粗细颗粒组成会比床面上的泥沙组成变得均匀; 随着水深进一步增大, 水流紊动扩散作用较弱, 大尺度漩涡转变为小尺度、各向同性漩涡, 紊流上举力与瞬时向上紊速变小, 在这种条件下, 水流只能悬浮起较细小的泥沙颗粒, 同时也有粗颗粒因此下沉。在下层的水流紊动强度固然比上层大, 可以对该层较大颗粒施加上浮的动力, 当上升的距离达到顶端时, 有开始受重力作用而下沉。同时颗粒与颗粒间的相互碰撞, 自然也会使极少数的粗颗粒也能上升到水面的为止。
3 .
4 影响非均匀系数φ的机理
泥沙颗粒悬浮主要是由于水流紊动和重力的共同作用，泥沙能够悬浮必须满足：运动学条件，即瞬时向上紊速v ≥泥沙沉降速度ω, 或者动力学条件, 即紊流上举力L ≥泥沙在水中的重量W 。无论是水槽还是天然河流中, 当水深达到一定程度后，由水流紊动所产生的漩涡将急速扩散与分解，使大尺度、各向异性的漩涡变为小尺度，各向同性漩涡。这样不仅导致主流
图5 非均匀系数φ沿垂向分布Ⅲ
线上的最大流速骤减, 而且使紊流上举力与瞬时向上紊速变小，从而使挟沙能力猛降，尤其是距离河槽主流线越远，随着漩涡的不断扩散与分散，漩涡越趋于小尺度，各向同性漩涡，紊流上举力与瞬时向上紊速变小，结果导致: 颗粒越粗，越先从漩涡中解放出来，使得水流由能携带各粒径的泥沙变为只能携带极细的泥沙，即出现了对颗粒粒径越粗的颗粒，挟沙能力衰减快, 但对于粒径很小的悬浮颗粒, 几乎不随水力条件的变化而改变。然而，无论是泥沙浓度还是水流条件的增强，都会影响水流的紊动。泥沙浓度的增加，不仅可以增加流体粘性，还可以改变整个流体特性。
结语
tapas4
(1) 泥沙颗粒悬浮是由于水流紊动扩散作用，颗粒受重力作用而下沉，因此泥沙颗粒受到双重作用。上浮或者下沉主要取决于紊动扩散和重力何者占主导地位。
(2) 由于颗粒的随机运动，产生了颗粒级配的分选，使得非均匀系数φ发生了变化。在本文的研究范围类, 在中低泥沙浓度的挟沙水流中, 系数φ随水深的增加而增大, 主流区较为明显; 而在高浓度和高水流强度的相互耦合作用下, 系数φ则随水深的增加，先减小，到达最小值，然后渐渐增大。□参考文献:
describes[ 1 ] 韩其为, 何明民. 泥沙运动统计理论[ M ] . 北京: 科学出版社, 1984 .
孟晓刚，倪晋仁. 固液两相流中颗粒受力及其对垂向分选的影响
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倪晋仁，曲轶众. 固液两相流中固体颗粒的垂直分选模型[J ] . 水动力学研究与进展,2003 ,5 : 349 - 354 .
曲轶众，倪晋仁，孟晓刚. 固液两相流中固体颗粒的垂直分选机理
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小学三年级英语上册
