波或流作用下高强度非粘性推移质输运规律研究

论文摘要

高强度非粘性推移质输沙过程经常发生于河道行洪、河口与海岸地区的风暴潮或暴风浪期间，引起岸滩剧烈演变和航道骤淤等问题。因此，如何准确地预测和预报强波浪或强水流条件下推移质的输沙量成为学术界和工程界关注的核心问题之一。自法国工程师Du Boys于1879年提出水流对推移质的拖曳力模型和相应的输沙率公式后，学者们基于不同的技术路线先后提出了若干推移质输沙率公式。但是，已有的大部分公式均为经验或半经验公式，公式的系数固定并且依赖于得出它们的有限试验数据，因而这类公式的应用范围有限。虽然有学者从连续介质力学的角度，将高强度输沙过程中由泥沙颗粒和孔隙水组成的固—液混合体处理为牛顿流体或其它类型的流体，从而构建相应的数学模型，并由此出发讨论颗粒的运动速度，“流深”等的计算公式和提出若干复杂程度不同的推移质输沙率公式；但是有关公式并未得到试验或实测资料的验证，最大程度上也只能说是定性地正确。究其原因，一方面在于这些理论模型多是从微观角度入手分析单颗粒泥沙的受力情况并跟踪其运动轨迹同时借助于气体分子运动论的研究成果而构建的，因而这类模型无法考虑在高强度输沙过程中颗粒之间密集的相互碰撞作用对颗粒群体输沙行为的影响；另一方面，这些模型在应用Bagnold(1954)应力关系式时，常常不正确地将其处理为水流剪切应力与颗粒间的法向离散应力的关系，不符合推移质输运的物理实质。另外，现有的经验、半经验公式均不能有效考虑地形坡度和水流中含泥量多寡等因素对推移质输沙率的影响。有鉴于此，本项研究根据复杂性科学研究中所倡导的系统论、整体论的思想，基于连续介质力学的有关理论，选取高强度推移质输运过程中的特征尺度，考虑了固—液混合体运动过程中上下两个交界面的受力作用，构建了刻画高强度推移质输运的理论模型。本项研究将理论分析及高强度水槽输沙试验和数值试验相结合，取得了如下一系列研究成果：1．构建了高强度推移质输运过程中固—液混合体运动的数学模型(偏微分方程组)。该模型由质量连续方程和运动方程组成。2．寻求了该理论模型对应于“动平床”的一个特解，并得到了1D推移质输沙率的理论计算公式；在明确了推移层内颗粒浓度和速度分布后，得到了一个可用于实际计算的1D推移质输沙率公式。该公式的系数表现为一个能够随着水流和泥沙条件的改变自动进行调整的函数关系式，能够自然地考虑地形坡度和水流中含泥量(冲泻质)多寡等因素对输沙率的影响，从而克服了现有经验、半经验公式的局限性。该公式得到了大量水槽试验资料和现场实测数据良好的验证。同时，基于水流边界层对数流速分布规律，构建了计算推移层表层颗粒运动速度的公式并进行了充分验证。3．利用有限差分数值方法—WAF方法(Weighted Averaged Flux method)，求解了该偏微分方程组解的一般特征。通过设定的斜坡输沙受扰的数值试验，探讨了恒定流作用下高强度输沙过程中固—液混合体运动的稳定性问题。结果发现，在恒定流作用下的推移层当受到局部扰动后其表面会失去稳定，形成动力波，即波高、波长不断加大而波速不断减小直至发生破碎。此外，该数值试验揭示出分层剪切流体“界面波”或者“内波”发育演化的可能情形。4．基于波浪边界层内水流流速对数分布规律的假定，构建了计算波浪边界层摩擦系数的公式。该公式具有物理概念清晰，结构形式简单、易于使用等特点。基于“准恒定”的思想，将有关研究成果拓展为非对称波浪作用下临底高含沙层内推移质净输沙率的计算公式，利用大型波浪水槽中非破碎非对称波，大型往复流水道中非对称波和天然海滩上波浪上爬区破波作用下均匀沙和非均匀沙输沙率实测资料对该公式进行了良好验证。总之，本项研究构建的刻画高强度推移质输运过程固—液混合体运动规律的数学模型是成功的，计算推移层表层颗粒运动速度和波浪边界层摩擦系数等公式也是成功的，所获得的单向流或非对称波浪作用下的高强度推移质输沙率公式可以尝试在工程实践中应用。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要（Abstract）
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究对象—高强度非粘性推移质输运
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内开展的关于“层移质”的研究
• 1.2.2 国外开展的关于高强度推移质输沙的理论研究
• 1.3 本项研究的创新之处
• 1.4 技术路线
• 第二章 高强度非粘性推移质输运的理论模型构建及输沙率公式推导
• 2.1 泥沙问题与复杂性科学研究
• 2.2 Bagnold（1954）试验
• 2.3 理论模型的构建
• 2.4 模型的特解及 1D 推移质输沙率公式的推导
• 2.4.1 动平床的厚度
• 2.4.2 动平床发生的临界条件
• 2.4.3 颗粒运动的速度分布
• 2.4.3.1 速度剖面
• 2.4.3.2 推移层表层颗粒运动速度
• 2.4.3.3 推移质颗粒运动的平均速度
• 2.4.4 颗粒的浓度分布
• 2.4.5 1D 推移质输沙率公式
• 2.5 讨论与小结
• 第三章 1D 恒定流作用下推移质输沙率公式验证
• 3.1 水槽试验
• 3.1.1 试验目的
• 3.1.2 试验用沙
• 3.1.3 试验方法
• 3.1.4 试验结果
• 3.2 推移层表层颗粒运动速度的验证
• 3.3 1D 推移质输沙率公式的验证
• 3.3.1 水槽试验资料验证
• 3.3.1.1 均匀沙
• 3.3.1.2 非均匀沙
• 3.3.2 河道输沙资料验证
• 3.4 讨论与小结
• 第四章 恒定流作用下高强度推移质输沙过程中固—液混合体运动稳定性的数值试验
• 4.1 经典的床面变形理论研究简述
• 4.1.1 经典的理论模型
• 4.1.2 新的理论模型
• 4.1.3 其它学科的理论研究
• 4.1.4 理论模型存在的问题
• 4.2 黎曼间断解问题
• 4.3 WAF 有限差分方案
• 4.3.1 双曲守恒律方程及其离散
• 4.3.2 黎曼近似解
• 4.3.3 边界条件
• 4.4 数值试验及其结果
• 4.5 讨论与小结
• 第五章 非对称波浪作用下临底高含沙层内推移质输运
• 5.1 临底高含沙层（sheet-flow）
• 5.1.1 临底高含沙层形成的临界条件
• 5.1.2 临底高含沙层的分层现象及推移质输运
• 5.2 研究现状
• 5.3 恒定流作用下一维输沙率公式的拓展
• 5.3.1 波浪边界层“准恒定”思想
• 5.3.2 波浪边界层的摩擦系数
• 5.3.3 波浪对床面的剪切应力
• 5.3.4 波浪作用下 1D 输沙率公式的建立
• 5.3.5 1D 波浪输沙率公式的验证
• 5.3.5.1 大型波浪水槽
• 5.3.5.2 大型往复流水道
• 5.3.5.3 海滩现场实测
• 5.4 讨论与小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要成果与结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间发表或待刊的论文