基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法转让专利
申请号 : CN202011415710.2
文献号 : CN112798221B
文献日 : 2021-12-14
发明人 : 陈大可 , 张弛 , 郑金海 , 陈立华 , 管大为 , 宋嘉诚
申请人 : 河海大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法,其特征在于:包括如下步骤,
1)获取粘性泥沙床面分散颗粒的代表粒径d;
2)确定粘性泥沙床面团聚体的表观密度ρa和干密度ρda;
3)确定粘性泥沙床面团聚体分形维数Df;
4)计算粘性泥沙床面团聚体的代表尺寸da,计算公式为:式中:ρs为粘性泥沙床面分散颗粒的密度;
5)确定粘性泥沙床面团聚体临界Shields函数θcr0;
6)确定粘性泥沙的粘性系数A;
7)计算粘性泥沙床面的起动切应力τcr,计算公式为:式中:ρw为水的密度。
2.根据权利要求1所述的一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法,其特征在于:步骤1)中,分散颗粒指泥沙的原始颗粒,代表粒径d指级配累计频率等于
50%时的粒径。
3.根据权利要求1所述的一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法,其特征在于:步骤2)中,粘性泥沙床面团聚体的表观密度ρa和干密度ρda通过实验室或现场测量确定;无法精确测量时,粘性泥沙床面团聚体的表观密度ρa近似等于床面表观密度ρb,粘性泥沙床面团聚体的干密度ρda近似等于床面干密度ρd。
4.根据权利要求1所述的一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法,其特征在于:步骤3)中所述的粘性泥沙团聚体分形维数Df在实验室通过数盒子法或通过测定颗粒分数和泥沙样品密度获得。
5.根据权利要求1所述的一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法,其特征在于:步骤3)中所述的粘性泥沙团聚体分形维数Df通过以下公式(3)计算得到,3
式中:ρs为粘性泥沙床面分散颗粒的密度,取值2650kg/m;d*为无量纲初始粒径,
3 2
其中,ρw为水的密度,ρw=1000kg/m ;g为重力加速度,g=9.81m/s ;υ为‑6 2
水的运动粘滞系数,υ=1.006×10 m/s。
6.根据权利要求1所述的一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法,其特征在于:步骤5)中θcr0在数值上等于粒径为da、颗粒密度为ρa的无粘性泥沙的临界Shields数,根据公式(4)确定,公式(4)为Soulsby和Whitehouse(1997)公式,式中:D*为粒径等于da、颗粒密度等于ρa的无粘性泥沙所对应的无量纲粒径,
3 2
其中,ρw为水的密度,ρw=1000kg/m ;g为重力加速度,g=9.81m/s ;
‑6 2
υ为水的运动粘滞系数,υ=1.006×10 m/s。
7.根据权利要求1所述的一种基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法,其特征在于:步骤6)中粘性系数A是泥沙本身和水环境的函数,对于由无粘性矿物组成的粉沙,A的取值范围为2.63×10‑6J~9.00×10‑6J;对于有机物含量较少的淤泥,A的取值‑4 ‑4
范围为1.21×10 J~4.94×10 J;对于有机物含量在10%~20%范围的淤泥,A的取值范‑3 ‑3
围为1.45×10 J~4.21×10 J。
说明书 :
基于成团起动机理的粘性泥沙床面起动切应力计算方法
技术领域
术领域。
背景技术
演变以及水质水环境有着重要影响。因此,准确计算床面泥沙的起动切应力尤为重要。
用十分活跃,由电化学作用引起的粘着力在泥沙冲刷行为中扮演重要的作用。由于粘性力
的存在,粘性泥沙基本颗粒往往形成大小不一的团聚体(絮团)。在低流速下,粘性泥沙往往
以团聚体的形式冲刷。
物理实验建立经验公式。另一类试图量化粘性力,通过受力分析构建粘性泥沙的起动切应
力;这一类的公式有唐存本公式、韩其为公式、窦国仁公式等。第一类研究回避探讨细颗粒
间复杂的粘着力和粘性泥沙的起动机制,公式往往具有较强的经验性。第二类研究试图从
理论上构建更符合物理机制的起动切应力公式。然而,第二类的大多数研究均基于单颗粒
起动假设,与粘性泥沙以成团起动的事实不符。
发明内容
密度ρb,粘性泥沙床面团聚体的干密度ρda近似等于床面干密度ρd。
其中,ρw为水的密度,ρw=1000kg/m ;g为重力加速度,g=9.81m/s ;υ为
‑6 2
水的运动粘滞系数,υ=1.006×10 m/s。
其中,ρw为水的密度,ρw=1000kg/m ;g为重力加速度,g=9.81m/s ;
‑6 2
υ为水的运动粘滞系数,υ=1.006×10 m/s。
‑6 ‑4 ‑4
优选4.84×10 J;对于有机物含量较少的淤泥,A的取值范围为1.21×10 J~4.94×10 J,
‑4 ‑3
优选2.43×10 J;对于有机物含量在10%~20%范围的淤泥,A的取值范围为1.45×10 J
‑3 ‑3
~4.21×10 J,优选2.61×10 J。
已有的不同类型的粘性泥沙(包括纯粘土矿物、粉沙、河流淤泥、湖泊淤泥和海岸淤泥)起动
切应力实验结果吻合较好。
附图说明
具体实施方式
切应力计算方法。
得到该海域床面泥沙基本颗粒的中值粒径d为0.007mm,即7E‑6m,颗粒密度ρs为2650kg/m ,
3 ‑6 2
对应的无量纲粒径d*=0.176,其中ρw取1000kg/m,υ取1.006×10 m/s。
m、1400kg/m、1450kg/m 、1490kg/m 和1510kg/m ,根据公式 计算对应的床面
3 3 3 3 3
干密度ρd分别为578kg/m、642kg/m 、729kg/m 、787kg/m和811kg/m ;取具有不同固结程度
3
的粘性泥沙床面团聚体的表观密度ρa等于床面表观密度ρb,即分别为1360kg/m 、1400kg/
3 3 3 3
m、1450kg/m、1490kg/m 和1510kg/m ;取具有不同固结程度的粘性泥沙床面团聚体的干密
3 3 3 3 3
度ρda等于床面干密度ρd,即分别为578kg/m、642kg/m、729kg/m、787kg/m和811kg/m。
聚体分形维数Df分别为2.64、2.66、2.69、2.71和2.71。公式(3)是根据已有粘性泥沙团聚体
分形维数理论值拟合得到的,图1显示了公式(3)的计算值与理论值的比较。
Shields函数θcr0分别为0.0391、0.0388、0.0385、0.0382和0.0381。
力计算值与实测值的比较,计算值与实测结果吻合较好。
视为本发明的保护范围。