[發明專利]一種懸移質泥沙群體沉速的檢測方法

有效

• 申請號: 201310638693.2
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103675328A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 胡江;付旭輝;楊勝發;李文杰;陳陽;吳國茂;徐威震;李斌強
• 申請（專利權）人: 重慶交通大學
• 主分類號: G01P5/00
• 分類號: G01P5/00;G01N15/04
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技術領域

本發明屬于泥沙顆粒沉速研究領域，尤其涉及一種懸移質泥沙群體沉速的檢測方法。

背景技術

在細顆粒泥沙的四個主要物理過程，即侵蝕、沉降、沉積和固結過程中，沉降速度對于認識和模擬泥沙的輸移是尤為重要的一個環節。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，繞流阻力系數為常數，雷諾數較高(Re＞103)，而細顆粒的沉降則主要受粘性控制，一般采用適用于低雷諾數(Re＜＝0.4)的Stokes公式。對于懸移質，尤其是較細的粘性砂和粉砂，在沉降過程中受布朗運動、差速沉降及水流紊動的影響可能發生絮凝，其沉速的變化可達到一個數量級，很難基于理論分析直接求解其沉速，Stokes公式也不再適用。

研究顆粒群體沉速的方法可以分為兩大類：沉降試驗和流態化試驗。流態化方法讓流體在垂直容器中自下而上地流動，使得容器內的固體顆粒以一定的濃度懸浮在流體中，此時流體的斷面平均流速即為相應濃度顆粒的群體沉速，避免了繁瑣而粗糙的沉速計算過程。但該方法僅適用于粒徑相對較粗的顆粒，對于沉速較小的細顆粒，試驗中很難控制也不易觀察其是否達到了穩定的懸浮狀態。此外，細顆粒泥沙容易產生絮凝現象，流態化方法很難避免對絮凝結構產生紊動剪切等影響。傳統的沉降試驗法，如底抽管法或者重復深度吸管法，先讓固體顆粒在流體介質中沉降，然后間隔固定時間從沉降筒的不同深度取樣，并測量樣本的顆粒濃度得到濃度分布及變化過程，進而推求沉速。此方法比較粗糙，沉速計算精度較低，而且不同的取樣方法都會對顆粒沉降產生或多或少的干擾，對細顆粒泥沙的干擾尤其明顯。例如，歐文管(Owen，1971)類型的接觸式測量，通過取樣測算濃度進而計算沉速，對個人操作較為敏感(如每次取樣快慢不同等)、低濃度時精度較差(樣本顆粒數較少不易測量)，尤其對細沙而言，取樣容易破壞絮凝結構，導致實驗室測得的沉速會比現場測得值小1至2個數量級(Manning，2004a；Owen，1971)。Mantovanelli(2005)研發的SEDVEL(Sedimentation?Velocity)是較新的一種接觸式測量設備，通過取樣檢測高靈敏度位移變化來估算沉降泥沙質量，進而計算沉速，但只適用于低濃度。粒子圖像技術在亮背景上拍攝暗色泥沙顆粒(或相反)以捕捉顆粒的運動來計算沉速，如INSSEV(Manning?et?al.，2004b)、VIS(Van?Leussen?and?Cornelisse，1993)、PIV測泥沙沉速(金文等，2005)等。該方法能測得絮凝結構的詳細信息，可適用較高的濃度，但不能直接測量濃度，且觀測窗口的尺度只有毫米的量級，受分辨率的限制，可觀測到的粒徑僅限于0.02～0.1mm。較新的激光衍射測量技術(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，太細或者太粗的顆粒都會影響測量的精度，目前應用不多。

此外，上述測量儀器和方法多集中于實驗室內的研究，同時適用于實驗室和現場測量的方法較少。

發明內容

本發明的目的在于提供一種懸移質泥沙群體沉速的檢測方法，旨在解決現有的泥沙群體沉速測量方法適用范圍窄、測量精度低的問題。

本發明是這樣實現的，一種懸移質泥沙群體沉速的檢測方法，根據泥沙擴散理論間接測得，紊流中的細顆粒泥沙，一方面因各層水團交換而引起泥沙的交換，另一方面因重力作用而發生沉降，當二者達到平衡狀態時，可用擴散方程描述。假定恒定狀態，并且水流方向無濃度梯度，則擴散方程可簡化為：

ωS_v+ε_ydS_v/dy＝0???????????(1)

式中：ω是泥沙沉速，S_v是泥沙濃度，ε_y是泥沙擴散系數。

可以看出，如果泥沙濃度和擴散系數已知的話，即可獲得泥沙的沉速。

根據泥沙的擴散理論，一般有如下假定：