水沙两相流理论及引水工程管道输沙问题的研究

摘要

泥沙问题是水力学及河流动力学研究的主要问题之一。探讨和完善水沙运动理论，研究河流泥沙特性也是理论和工程实践中的重要研究课题。
　　本文综述了泥沙运动力学方面的基础研究成果，包括泥沙起动、推移运动和悬移运动、推移质输沙率及挟沙力等方面的研究成果，对悬沙浓度垂向分布的一些经典理论进行了总结，对管道水流的输送方式进行探讨，讨论了对应不同水流强度下管道内水沙的流动状态。总结了水沙两相流的研究现状，结合连续介质模型和颗粒动力模型这两种模型方法的特点，从连续介质微元体的运动分析出发，建立了平均意义上的流体流动和颗粒运动的固液两相流基本方程，对流体 N-S方程、描述颗粒运动的B.B.O方程、多孔介质中流体运动的Brinkman方程和渗透 Darcy方程等进行了统一解释，得到了水沙两相流连续和运动方程的一般形式，推导了河床底部泥沙运动方程。
　　泥沙颗粒特性是水力输送中的重要影响因素，通过对山西中部引水工程中泥沙特性试验分析，介绍了泥沙取样、泥沙含沙量、颗粒级配、矿物成分以及颗粒的几何特性的测量和计算方法，在颗粒形状分析的基础上，提出了研究泥沙颗粒的平面圆度系数的方法，通过傅里叶级数展开对颗粒的形状进行拟合，模拟出泥沙颗粒边缘轮廓的变化，在该研究工程中得出了圆角形颗粒占泥沙颗粒的主要成分的结论。根据球体绕流解建立的静水泥沙沉降阻力系数，分析了球度系数与形状系数对水流阻力系数的影响。
　　考虑黄河为高含沙水流河道，引水工程中不可避免的会挟带部分泥沙进入输水系统。本文对管道引水输沙首次提出管道水流挟沙力的概念，运用经典的Einstein输沙理论方法，用管道推移质输沙率代替传统推移质输沙率概念，确定水流强度与管道推移质输沙率的关系，同时得到了管内悬移质的参考浓度，通过对悬移质浓度垂向分布的扩散理论进行修正，得到了不同参考浓度对应的悬沙浓度的垂向分布，并进行了验证，运用管道水流挟沙力的概念，得到了不同泥沙中值粒径、水流强度对应的水流挟沙力，结合浆体管道输送状态的经验流速公式，确定管道输沙的水流运动状态，为引水工程的泥沙运动提供了相应的理论依据。最后借鉴床面冲淤变形方程，通过量纲分析，建立了壁面磨损方程，并对管壁和水泵的相对磨损率进行了估算。

目录

声明

第一章 绪论

1.1问题的提出

1.2水沙两相流理论及研究进展

1.3管道输沙研究

1.4引水工程与泥沙问题

1.5本文的主要工作及创新点

第二章 水沙运动机理

2.1泥沙起动研究

2.2颗粒的运动形式

2.3管道输沙的基本模式

2.4本章小结

第三章 固液两相流耦合运动方程

3.1两相流的数值模拟方法

3.2固液两相流耦合方程的建立

3.4方程应用讨论

3.5本章小结

第四章 引水工程泥沙特性分析及静水沉降规律研究

4.1泥沙特性

4.2 泥沙静水沉速

4.3本章小结

第五章 引水工程管道输沙规律研究

5.1引水工程输沙特性

5.2管道水沙分布

5.3摩阻损失及管壁磨损计算

5.4水泵磨损计算

5.5本章小结

第六章 结论

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢