基于泥沙双向位置特性的推移质输沙率研究

摘要

作为河道中泥沙主要的运动形式之一，推移质运动规律在河流动力学理论及实际工程中都具有重要的意义。为进一步分析均匀推移质输移规律，本文对床面泥沙的双向位置特性进行了测量分析，得到了泥沙双向相对位置的分布规律，并在基础上对均匀沙起动概率、起动条件及推移质输沙率等问题进行了研究。主要内容与结论如下： (1)通过测量二维床面上均匀玻璃球和均匀河卵石的双向位置参数，统计分析得到二维床面上均匀沙双向位置参数的分布规律：玻璃球隐蔽角与暴露角分布规律基本相同，可认为服从相同正态分布；玻璃球与河卵石的相对突出度呈负偏态趋势，前者的偏离系数更大；玻璃球相对暴露度呈正偏态趋势，而河卵石相对暴露度呈正态趋势；两者双向隐暴度都呈正态趋势，前者的均值与方差均较后者篇大。 (2)以天然河卵石作为实验材料，探索不同级配下二维床面上河卵石双向位置特性。结果显示：三种不同级配卵石颗粒的相对突出度基本呈负偏态趋势，且其偏离系数随卵石非均匀系数的增大而增大；相对暴露度近似呈正态趋势，且其均值随卵石非均匀系数的增大而减小；双向隐暴度亦近似呈正态趋势，其均值随卵石非均匀系数的增大而增大。 (3)基于均匀球体颗粒双向位置的分布规律，建立了均匀散粒体泥沙起动切应力公式。对单颗粒泥沙进行受力分析，结合水流的紊动特性，采用滚动起动模式推导出计入位置随机性和水流脉动随机性的起动概率公式。参照窦国仁提出的三种起动标准，确定不同起动标准下泥沙起动切应力随双向位置角的变化趋势及取值范围。 (4)基于均匀球体颗粒双向位置的分布规律，从不同角度构建了推移质输沙率公式。对滚动、滑动及跃移三种不同起动模式下的单颗粒泥沙进行受力分析，建立不同模式下的泥沙起动概率公式，对比发现滚动起动最易、跃移起动最难，并将滚动起动概率引入推移质输沙率公式中，结合对比分析后的单位床面泥沙颗粒数、推移质运动速度等参数，构建了一个新的推移质输沙率公式。同时，对斜坡上的泥沙进行受力分析，推导出适用于斜坡上的推移质输沙率公式。此外基于床沙、推移质及悬移质间的交换理论，借鉴Markov链的性质，得到计入泥沙双向位置关系的泥沙状态概率计算式，最终建立了基于Markov过程的推移质输沙率公式。 (5)初步探索三维床面上泥沙颗粒位置特性，对三种堆积情况下的颗粒进行受力分析，推导出了球体颗粒的起动流速公式。

目录

声明

主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 选题目的和意义

1.2 研究现状

1.2.1 泥沙在床面上初始位置

1.2.2 泥沙起动研究

1.2.3 推移质输沙率研究

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 本文创新点

第二章 二维床面均匀沙双向位置特性的实验研究

2.1.1 试验设备与材料

2.1.1 试验方法与过程

2.2 试验结果与分析

2.2.1 实验数据处理

2.2.2 试验结果分析

2.3 本章小结

第三章 不同级配天然卵石双向位置特性的初探

3.1.1 试验设备与材料

3.1.2 试验方法与过程

3.2 试验结果与分析

3.2.1 实验数据处理

3.2.2 试验结果分析

3.3 本章小结

第四章 均匀无黏性单颗粒泥沙起动切应力的探讨

4.1.1 作用力分析

4.1.2 作用流速分析

4.1.3 作用力力臂分析

4.1.4 泥沙起动概率公式的建立

4.2 泥沙起动切应力

4.3 本章小结

第五章 均匀无黏性泥沙起动概率及推移质输沙率公式

5.1 不同起动模式下的泥沙起动概率

5.2 推移质输沙率公式

5.2.1 推移质输沙率公式的建立

5.2.2 输沙率公式验证与比较

5.3 斜坡上的推移质输沙率公式

5.3.1 斜坡上的颗粒受力

5.3.2 斜坡上的泥沙起动概率

5.3.3 斜坡上的推移质运动速度

5.3.4 斜坡上推移质输沙率公式

5.3.5 斜坡上输沙率公式验证及对比

5.4.1 运动泥沙与床沙交换的理论分析

5.4.2 状态概率的计算

5.4.3 推移质输沙率公式推导

5.5 本章小结

第六章 均匀沙三维位置特性及起动流速的探索

6.1 球形颗粒位置特性分析

6.1.1 球形颗粒位置试验观测分析

6.1.2 球形颗粒位置理论分析

6.2.1 泥沙颗粒受力

6.2.2 泥沙起动流速

6.3 公式验证

6.3.1 沙泥起动底速公式验证

6.3.2 泥沙起动断面平均流速公式验证

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

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