[發(fā)明專利]基于成團起動機理的粘性泥沙床面起動切應力計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011415710.2
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112798221B
• 公開（公告）日: 2021-12-14
• 發(fā)明（設計）人: 陳大可;張弛;鄭金海;陳立華;管大為;宋嘉誠
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發(fā)明公開了一種基于成團起動機理的粘性泥沙床面起動切應力計算方法，包括以下步驟：1)獲取粘性泥沙床面分散顆粒的代表粒徑d；2)確定粘性泥沙床面團聚體的表觀密度ρ_a和干密度ρ_da；3)確定粘性泥沙床面團聚體分形維數(shù)D_f；4)計算粘性泥沙床面團聚體的代表尺寸d_a；5)確定粘性泥沙床面團聚體臨界Shields函數(shù)θ_cr0；6)確定粘性泥沙的粘性系數(shù)A；7)計算粘性泥沙床面起動切應力τ_cr。相比于現(xiàn)有常見粘性泥沙床面起動切應力，本發(fā)明公開了床面起動切應力計算方法能夠更合理地反應粘性泥沙以團聚體形式起動的物理機制，且適用性更廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于成團起動機理的粘性泥沙床面起動切應力計算方法，具體地涉及一種根據(jù)粘性泥沙床面基本物理性質(zhì)確定其沖刷閾值的計算方法，屬于泥沙動力學技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

在湖泊、河流和海洋中，當水流引起的床面切應力超過床面泥沙的起動切應力(或稱為臨界沖刷切應力)時，就會發(fā)生泥沙沖刷。泥沙沖刷對涉水工程的安全、水下地形地貌演變以及水質(zhì)水環(huán)境有著重要影響。因此，準確計算床面泥沙的起動切應力尤為重要。

粘性泥沙是指基本顆粒粒徑小于63微米的泥沙，廣泛分布于湖泊、大江大河的中下游以及淤泥質(zhì)海岸環(huán)境中。粘性泥沙基本顆粒較小，比表面積較大，顆粒表面的電化學作用十分活躍，由電化學作用引起的粘著力在泥沙沖刷行為中扮演重要的作用。由于粘性力的存在，粘性泥沙基本顆粒往往形成大小不一的團聚體(絮團)。在低流速下，粘性泥沙往往以團聚體的形式?jīng)_刷。

目前，有關(guān)粘性泥沙起動切應力的研究主要分為兩類。一類直接將泥沙起動切應力與泥沙的物理力學特性(如表觀密度、干密度、內(nèi)聚力、塑性和屈服強度等)相聯(lián)系，通過物理實驗建立經(jīng)驗公式。另一類試圖量化粘性力，通過受力分析構(gòu)建粘性泥沙的起動切應力；這一類的公式有唐存本公式、韓其為公式、竇國仁公式等。第一類研究回避探討細顆粒間復雜的粘著力和粘性泥沙的起動機制，公式往往具有較強的經(jīng)驗性。第二類研究試圖從理論上構(gòu)建更符合物理機制的起動切應力公式。然而，第二類的大多數(shù)研究均基于單顆粒起動假設，與粘性泥沙以成團起動的事實不符。

發(fā)明內(nèi)容

目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于成團起動機理的粘性泥沙床面起動切應力計算方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于成團起動機理的粘性泥沙床面起動切應力計算方法，包括如下步驟，

1)獲取粘性泥沙床面分散顆粒的代表粒徑d；

2)確定粘性泥沙床面團聚體的表觀密度ρ_a和干密度ρ_da；

3)確定粘性泥沙床面團聚體分形維數(shù)D_f；

4)計算粘性泥沙床面團聚體的代表尺寸d_a，計算公式為：

式中：ρ_s為粘性泥沙床面分散顆粒的密度；

5)確定粘性泥沙床面團聚體臨界Shields函數(shù)θ_cr0，該函數(shù)在數(shù)值上等于粒徑為d_a，顆粒密度為ρ_a的無粘性泥沙的臨界Shields數(shù)；

6)確定粘性泥沙的粘性系數(shù)A；

7)計算粘性泥沙床面的起動切應力τ_cr，計算公式為：

式中：ρ_w為水的密度。