粉砂质泥沙运动特性的实验研究与数值模拟

摘要

河口海岸是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈之间进行物质、能量、信息交换最为频繁和集中的区域,也是受人类活动影响突出的地区。泥沙运动通常在这些相互作用的过程中起着纽带作用。
　　 我国将泥沙分为沙,粉沙和粘土三大类。粉沙的运动特点是遇到动力容易散乱、悬浮,动力减弱时易沉降,密实较快。我国漫长海岸线上散布着不少粉沙质海岸。粉沙质海岸明显区别于淤泥质海岸和沙质海岸上的泥沙运动特性及规律。研究粉沙质泥沙运动对于发展我国沿海经济、加速港航建设、提高海岸泥沙研究的科学水平有重要意义。
　　 本文首先采用混合沉降法进行粉砂质泥沙静水沉降实验,通过观察记录1000ml小量筒中浑液面随时间的下降高度,并用浊度仪测量浑液面上部液体的含沙量随时间的变化,用相机拍摄浑液面的下降过程,绘出沉降曲线,计算沉降曲线的等速段的斜率,得到了泥沙静水沉降的沉降速度,且得出随着泥沙浓度的增大,沉速则逐渐减小。
　　 然后在可变坡波流实验水槽中进行粉砂质泥沙在水流,波浪和波流联合作用下的起动实验,研究粉沙质泥沙的沉降规律和起动规律,得到起动流速和起动临界切应力。
　　 最后利用Flow3D进行泥沙静水沉降和泥沙起动的数值模拟。在进行泥沙静水沉降的数值模拟时,通过运用Flow3D中的泥沙冲刷模块,在数值沉降筒中设置悬沙的方法得到了较好的模拟,与实验结果相似。泥沙起动的数值模拟中同样运用Flow3D中的泥沙冲刷模块和紊动模型,建立数值水槽,流速传感器和波高传感器,当细沙起动模拟完成后,不改变其中的网格参数,按相同方法计算出粗沙的临界希尔兹参数,临界泥沙体积分数,粘性泥沙体积分数等,再模拟粗沙起动。得到了模拟较好的流速,波高,含沙量,与实验结果相似。