论文摘要
射流冲刷,主要包括由水工结构物产生和人为制造产生,常见于水利、环境保护及海洋工程中。射流冲刷过程可简单描述为射流的水动力克服床面阻力,将泥沙从床面剥离,并将其输运至下游,而在床面形成局部凹坑的过程。然而,由于射流流场的多变性和床面泥沙的多样性,射流冲刷过程中常常出现水动力不稳定、阻力难以准确估算等问题,给评估射流对床面的冲刷特性带来困难。为探明射流冲刷过程,早期的多数研究集中在水平附壁射流对松散砂的冲刷。随着研究的不断深入,针对粘性泥沙的射流冲刷问题逐渐得到关注。但粘性泥沙的冲刷、输移要比非粘性泥沙复杂得多。除了粘结力外,粘性泥沙在外力剪切作用下,往往会表现出流变特性,即伴随着连续不断的外力剪切作用,粘性泥沙的相态会发生从固态到液态的转变,其承载力和抵抗来流冲刷的能力明显下降,这会导致粘性泥沙在复杂射流流场条件下的冲刷特性更为复杂。为此,本文以稳定和摆动淹没射流作用下粘性泥沙的冲刷特性为主要研究对象,以射流理论、泥沙运动力学和泥沙流变学为理论基础,以水槽试验、流变特性测试以及理论分析为主要研究手段,主要针对剪切作用下粘性泥沙的流变特性、稳定射流的冲刷特性、摆动射流的水力特性和摆动射流的冲刷特性,开展了一系列的试验研究,具体研究内容与结果如下:首先,基于泥沙流变学研究成果:“粘性泥沙因具有的剪切变稀和触变性等流变特性”,开展了振动剪切作用下水下粘性泥沙的流变特性试验,测量了水下粘性泥沙力学参数的时变特性、空间分布,以及受振后水下粘性泥沙的流变特性变化,分析了动态土压力、动态孔隙水压力及泥沙加速度对振动时间的响应变化,并将该响应变化与粘性泥沙流变曲线（屈服强度-时间曲线）进行对比,探讨了振动剪切作用下水下粘性泥沙的流化机理,同时观测了动态土压力峰值随振动距离的分布规律,分析了振动强度对粘性泥沙屈服强度τy的影响。试验发现:在振动剪切作用下,水下粘性泥沙内的动态土压力、动态孔隙水压力和泥沙加速度的阶段变化与泥样流变曲线（屈服强度-时间曲线）的变化同步——在振动剪切初期,水下粘性泥沙表现出受力而不运动的材料力学特性,在受振失效后,水下粘性泥沙表现出加速度随受力增加而增加的运动力学特性,在受振平衡期,水下粘性泥沙受力及运动特性达到平衡;在受力的空间分布上,振动剪切作用下水下粘性泥沙平衡期动态土压力峰值随振动距离的增加而呈负指数衰减;振动前后粘性泥沙屈服强度的降低程度与振动载荷强度呈现对数相关。然后,从床面阻力角度出发,将射流冲刷分为对非粘性泥沙床面的冲刷和对粘性泥沙床面的冲刷进行稳定射流冲刷试验。对于非粘性泥沙床面,在总结前人有关射流冲刷研究的408组试验数据的基础上,开展射流冲刷试验,提出并验证了非粘性泥沙的阻力应考虑泥沙颗粒的重力和大颗粒石硕的形态阻力的影响,指明了粒径-水力半径比对平衡态射流冲刷坑尺寸的非单调影响,提出了考虑粒径-水力半径比的非粘性泥沙平衡态射流冲刷坑尺寸的估算公式。对于粘性泥沙冲刷,通过开展对三种泥沙的水平稳定淹没射流冲刷试验,观察了不同冲刷时间内不同初始屈服强度的粘性泥沙在射流作用下的冲刷特性。研究发现:粘性泥沙在射流作用下的冲刷坑最大深度随时间呈对数增长;在冲刷进行10 min内,粘性泥沙冲刷坑形态保持较好,冲刷坑的前坡几乎无明显塌陷;不同初始屈服强度的粘性泥沙在十分钟内表现出不同的冲刷速率,射流对粘性泥沙的冲刷速率随泥样屈服强度的增大呈现出负指数增长趋势。之后,通过试验室水槽试验测量了摆动淹没射流的水力特性,包括:自由射流区及冲击区的瞬时流场特性;冲击区床面的往复压力;振荡附壁射流区的近壁流速剖面、流速紊动特性和沿程衰减特性。试验发现,摆动淹没射流与稳定淹没射流的主要区别在于:在自由射流区,射流摆动过程中流速沿射流轴向的分布关于射流中心线不完全对称,自由射流区域流速梯度在摆动前侧较摆动后侧更为密集。在射流冲击区,摆动淹没射流产生向上游回流的临界倾斜角比稳定倾斜射流条件下要大,而对床面的冲击压力在各位置处表现出不同的波动形式。在振荡壁射流区,流速紊动程度随相位和频率略有变化,但其在近壁流区的流速分布与稳定附壁射流未有本质的区别;振荡附壁射流的流速呈现波动形式,可分为流速振荡平均值和振荡幅值,二者都表现出沿程衰减特性。同时,根据湍流经验假设,提出了振荡附壁射流床面切应力的计算公式。最后,开展水槽试验,研究了振荡附壁射流对水下粘性泥沙的冲刷特性。试验采用不同频率和振幅的振荡附壁射流对三种粘性泥沙进行冲刷。通过对比不同振荡频率下冲刷坑床面形态特征,从泥沙流变学角度分析了振荡载荷对冲刷过程的影响,并通过引入振荡载荷强度对粘性泥沙屈服强度及抗冲力的影响,初步探究了振荡附壁射流对粘性泥沙的冲刷特性。试验发现:水下粘性泥沙在高频振荡附壁射流作用下表现出明显的剪切变稀现象。振荡附壁射流作用下粘性泥沙的冲刷率与泥沙初始屈服强度呈负指数相关,而与摆动强度呈对数增长。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 赵鹏
导师: 喻国良
关键词: 射流冲刷,粘性泥沙,摆动射流,振动,泥沙流变,屈服强度,冲刷速率
来源: 上海交通大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 地球物理学,水利水电工程
单位: 上海交通大学
基金: 国家自然科学基金资助项目:51779137,国家重点研发计划资助项目:2016YFC0402607
分类号: TV147
DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000303
总页数: 167
文件大小: 6785K
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