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絮凝-沉降过程的三维RLCCA模拟及实验研究

洪国军  
【摘要】: 在水库、河道、港湾、河口和海岸的泥沙输移中,粘性细颗粒泥沙的絮凝-沉降问题占有重要地位,其研究有十分重要的理论意义和工程实用价值。 鉴于絮凝-沉降过程的影响因素繁多且互相牵制,理论分析非常困难,而实验观察又存在技术困难,计算机模拟颗粒运动-碰撞-粘结过程成为又一有力工具。本文以胶体化学理论和分形理论为基础,考虑了絮团的分形结构与可渗透性、泥沙浓度对粘滞系数的影响等因素,使用改进的受限反应絮团聚集(RLCCA)模型模拟此过程,并通过沉降实验来验证。本文中模拟区域为0.001m×0.001m×0.02m~3,浓度50~100kg/m~3,粒径6~10μm,碰撞效率系数0.1~1,单颗粒数最多3. 2×106个,模拟一个循环(1s时间步长)约需300s。 本文分析了不同初始条件下单颗粒数量及絮团数量、大小、级配随时空的变化,结果表明,单颗粒衰减速率P及絮团数量Nf、平均尺寸Nw、级配分布随时间推移和深度增大,有趋于一致的趋势;P、Nf和Nw均有快速上升-峰值-缓慢下降的过程,絮凝似可分为加速发育和减速发育两个阶段;取不同泥沙浓度,或颗粒粒径,又或碰撞效率系数时,单颗粒衰减速率P分别有P (αs ,t)= b- 1 P(bαs,b~(-1)t),P(Cs,t)=b~(1/3)P(Cs/b,b~(1/2)t),P(ds,t)=b~(1/8)P(ds/b,b~(3/4)t)的关系,絮凝发育过程似乎分别存在相似性。文中还进行了絮团三维图形生成。 沉降实验表明,花园口沙从20kg/m~3递增到60kg/m~3,沉降模式从弱絮凝沉降转为强絮凝沉降,且增高浓度在低浓度时阻碍絮凝,高浓度时促进絮凝。加入阳离子能促进絮凝,且价位越高,作用越大;此作用随阳离子浓度的增大均先增后减,即存在一个作用最大的阳离子浓度。实验结果也粗略验证了一些模拟结果,如高浓度时浓度增高会促进絮凝-沉降过程、提高α系数(即阳离子化合价增高和浓度增大)的促进作用比增大浓度对絮凝的影响更明显等。


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