一种均匀沙上扬通量计算方法

摘要

本发明公开了一种均匀沙上扬通量计算方法，该方法根据均匀沙的代表粒径、颗粒密度和床面颗粒体积分数确定平均一次猝发过程单位床面面积上的有效上扬面积进而计算上扬通量。与目前常用公式如Van Rijn公式和曹志先公式在中低上扬条件下计算结果偏大的情况不同，本发明公开的上扬通量计算方法在低、中、高上扬条件下均具有较高的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种均匀沙上扬通量计算方法，属于泥沙动力学技术领域。

背景技术

在河流和海洋环境中，水流和底床有着复杂的相互作用。当水流引起的床面切应力超过床面泥沙的起动切应力时，床面泥沙开始脱离床面进入水流。单位床面在单位时间上脱离床面的泥沙颗粒的质量(或体积)称为上扬通量。泥沙的上扬会增加水体的含沙量，进而影响水环境。当床面泥沙含有微生物和重金属等有害物质时，泥沙的上扬还将危害水质和水生态。长期的泥沙上扬会引起水下地形地貌演变，亦会造成涉水工程的失事，如桥梁因桩基冲刷而倒塌。因此准确地预测(计算)上扬通量至关重要。

过去几十年来，一些学者通过均匀沙冲刷实验，提出了一些上扬通量的经验公式，如Fernandez公式，Nakagawa和Tsujimoto公式，van Rijn公式。还有一些学者基于相关理论，建立了一些上扬通量理论公式。如爱因斯坦根据随机理论，在其推移质输沙理论中建立了上扬通量公式。曹志先根据紊流猝发机制并假设泥沙的上扬是猝发过程造成的，建立了上扬通量公式。周宜林等根据能量守恒原理建立了上扬通量的半经验半理论公式。现有上扬通量物理实验结果表明，Fernandez公式、Nakagawa和Tsujimoto公式、爱因斯坦公式和周宜林等提出的公式的误差较大。目前较常用的公式为van Rijn公式和曹志先公式。然而，与实测数据的比较显示，van Rijn公式和曹志先公式在高上扬条件下，公式的计算值与实测值吻合较好，但在中低上扬条件下，公式的计算值往往偏大。

发明内容

目的：为了克服现有技术中常用公式在中低上扬条件下，计算值比实测值偏大的问题，本发明提供一种均匀沙上扬通量计算方法，该方法根据大量均匀沙上扬通量实验数据量化了平均一次猝发过程单位床面面积上的有效上扬面积，使得该计算方法在低、中、高上扬条件下计算的上扬通量均与实测值吻合较好。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种均匀沙上扬通量计算方法，包括如下步骤：

(1)获取均匀沙基本参数，包括中值粒径d、颗粒密度ρ

(2)根据床面切应力τ

(3)根据实验或公式确定均匀沙的临界Shields数θ

(4)计算平均一次猝发过程单位床面上有效上扬面积A，计算公式为：

(5)计算无量纲上扬通量E

式中，T

(6)根据无量纲上扬通量，计算质量上扬通量E，计算公式为：

式中，g为重力加速度。

优选地，步骤(2)中，Shields数θ的计算公式为：

式中：ρ

优选地，步骤(3)中，具备实验条件时，θ

优选地，步骤(3)中，无实验条件时，θ

优选地，步骤(5)中，无量纲粒径D

其中ρ

优选地，其中，水的运动粘滞系数υ一般可取1.006×10

有益效果：本发明提供的一种均匀沙上扬通量计算方法，与现有计算方法相比，适用性更广，在低、中、高上扬条件下计算的上扬通量均与实测值吻合较好。

附图说明

图1为本发明公开的计算方法以及曹志先公式和Van Rijn公式与实测值的比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

实施例1

某均匀流床面由均匀沙组成，若水流引起的床面切应力足够大时，床面泥沙将脱离床面进入水流。本实施包括不同床面切应力下床面质量上扬通量的计算。

步骤1：获取均匀沙基本参数：均匀沙的中值粒径为0.183mm，即0.000183m，颗粒密度ρ

步骤2：本实施例中计算床面切应力τ

步骤3：本实施例中，根据公式(6)计算均匀沙无量纲粒径D

步骤4：根据公式(1)，床面切应力0.30Pa、0.31Pa、0.32Pa、0.34Pa、0.35Pa、0.37Pa、0.38Pa和0.40Pa对应的单位面积上有效上扬面积A(单位为1)分别为0.007、0.008、0.009、0.011、0.012、0.014、0.015和0.018。

步骤5：根据公式(2)，上述8个不同切应力对应的无量纲上扬通量分别为：4.45E-05、5.68E-05、6.42E-05、7.99E-05、9.49E-05、1.12E-04、1.25E-04和1.52E-04。

步骤6：根据公式(3)，上述8个不同切应力对应的质量上扬通量分别为0.006kg/(m

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。