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《清华大学》 2015年
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悬移泥沙的一种新度量

杨倩  
【摘要】:作为大中河流泥沙输运的主要形式,悬移质在河流地貌、河流生境中扮演着重要的角色。自然条件下,悬移质几乎都很不均匀且往往处于不平衡输移状态。尽管学者们对悬移泥沙已开展了广泛的研究,更深入的认识却因悬浮泥沙的非均匀、输移的不平衡及水槽实验的低可重复性而受到限制。当前输移悬沙研究的基本问题在于,如何在更可靠的实验手段的基础上建立起不同级配悬移泥沙的水动力学联系。以此为目的,本研究对实验装置进行了新的设计。测试试验表明该新装置具有较好的可控性、可重复性,产生的紊动场、悬沙场特性与明渠含沙流相似,可用于明渠流悬沙输移规律的实验研究。研究中进行的38组实验表明,悬浮泥沙的输移满足如下规律:(1)悬沙的交换替代满足∑iCiωi守恒(其中q为分组悬沙浓度,ωt为分组沉速);(2)在给定水动力条件下处于输移平衡状态的悬浮泥沙满足∑iCiωi守恒,且∑iCiωi只与水动力条件正相关。这两条守恒律表明,消耗相同水动力的悬移质存在—输移不变量φ,且该不变量可由∑iCiωt很好定义。当输移悬沙的φ值相等时,不论其级配如何,对水动力系统而言悬移这些泥沙都是等价的。此即不同级配悬沙之间的水动力学联系。φ与悬沙消耗水动力的正相关性及——对应性,表明φ可以作为输移悬沙的—种新度量,来刻画悬移质对水动力的消耗。悬沙交换替代中的φ不变及悬沙输移中的φ不变表明,该度量是与不同级配悬移质之间、水动力与悬移质之间的动力学关系相匹配的,度量φ可以反映非均匀沙的动力特性。提出输移悬沙的动力学度量φ的现实意义在于:(1)明确了基于特征粒径的悬移质总输沙能力经典公式,并不是均匀沙输沙能力公式的真实形式,而是用非均匀沙按特征粒径进行率定的结果,因而也不宜作为均匀沙输沙能力公式用于非均匀沙的每一分组;(2)阐明了“冲泄质”也将参与水动力的消耗,并以此影响粗粒径沙的输移,因此传统研究中将冲泻质从悬移质中划分出去单独考虑的做法也是有问题的。提出度量φ的意义还在于:对于输移悬沙研究的未来发展,(3)度量φ统一了均匀沙与非均匀沙的动力学描述;(4)在该度量下,不同粒径悬沙在水动力系统中的相互作用可通过对该量的线性运算来描述,物理图景清晰、计算简单;(5)φ度量的提出还将使平衡条件下对悬沙输运的考虑更容易过渡到非平衡条件。在悬沙输移研究正逐步向非均匀、不平衡条件发展的大背景下,此输移悬沙的动力学度量φ的提出无疑是意义重大的。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TV149

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