一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法技术

本发明专利技术公开了一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法，该方法先假定恒定状态、水流方向无浓度梯度条件下简化扩散方程，然后根据泥沙扩散理论做出假设，通过ADV得到瞬时流速和与流速同步的瞬时含沙量，最后得到悬移质泥沙群体的沉速，本发明专利技术可同时适用于实验室和现场，针对细颗粒悬移质，不管实际中是否发生絮凝，该方法都能适用，该方法可以测得沉速沿水深的分布以及沉速随含沙量的变化，较传统的测量方法效果更好。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，该方法先假定恒定状态、水流方向无浓度梯度条件下简化扩散方程，然后根据泥沙扩散理论做出假设，通过ADV得到瞬时流速和与流速同步的瞬时含沙量，最后得到悬移质泥沙群体的沉速，本专利技术可同时适用于实验室和现场，针对细颗粒悬移质，不管实际中是否发生絮凝，该方法都能适用，该方法可以测得沉速沿水深的分布以及沉速随含沙量的变化，较传统的测量方法效果更好。【专利说明】
本专利技术属于泥沙颗粒沉速研究领域，尤其涉及。
技术介绍
在细颗粒泥沙的四个主要物理过程，即侵蚀、沉降、沉积和固结过程中，沉降速度对于认识和模拟泥沙的输移是尤为重要的一个环节。泥沙颗粒沉速的理论研究中，单颗粒的沉降特性已基本明确，粗颗粒的沉降主要受惯性控制，绕流阻力系数为常数，雷诺数较高(Re > 103)，而细颗粒的沉降则主要受粘性控制，一般采用适用于低雷诺数(Re <= 0.4)的Stokes公式。对于悬移质，尤其是较细的粘性砂和粉砂，在沉降过程中受布朗运动、差速沉降及水流紊动的影响可能发生絮凝，其沉速的变化可达到一个数量级，很难基于理论分析直接求解其沉速，Stokes公式也不再适用。研究颗粒群体沉速的方法可以分为两大类:沉降试验和流态化试验。流态化方法让流体在垂直容器中自下而上地流动，使得容器内的固体颗粒以一定的浓度悬浮在流体中，此时流体的断面平均流速即为相应浓度颗粒的群体沉速，避免了繁琐而粗糙的沉速计算过程。但该方法仅适用于粒径相对较粗的颗粒，对于沉速较小的细颗粒，试验中很难控制也不易观察其是否达到了稳定的悬浮状态。此外，细颗粒泥沙容易产生絮凝现象，流态化方法很难避免对絮凝结构产生紊动剪切等影响。传统的沉降试验法，如底抽管法或者重复深度吸管法，先让固体颗粒在流体介质中沉降，然后间隔固定时间从沉降筒的不同深度取样，并测量样本的颗粒浓度得到浓度分布及变化过程，进而推求沉速。此方法比较粗糙，沉速计算精度较低，而且不同的取样方法都会对颗粒沉降产生或多或少的干扰，对细颗粒泥沙的干扰尤其明显。例如，欧文管(Owen，1971)类型的接触式测量，通过取样测算浓度进而计算沉速，对个人操作较为敏感(如每次取样快慢不同等)、低浓度时精度较差(样本颗粒数较少不易测量)，尤其对细沙而言，取样容易破坏絮凝结构，导致实验室测得的沉速会比现场测得值小 I 至 2 个数量级(Manning, 2004a ；0wen, 1971)。Mantovanelli (2005)研发的SEDVEL(Sedimentation Velocity)是较新的一种接触式测量设备,通过取样检测高灵敏度位移变化来估算沉降泥沙质量，进而计算沉速，但只适用于低浓度。粒子图像技术在亮背景上拍摄暗色泥沙颗粒(或相反)以捕捉颗粒的运动来计算沉速，如INSSEV(Manning etal., 2004b) >VIS (Van Leussen and Cornelisse, 1993)、PIV测泥沙沉速(金文等,2005)等。该方法能测得絮凝结构的详细信息，可适用较高的浓度，但不能直接测量浓度，且观测窗口的尺度只有毫米的量级，受分辨率的限制，可观测到的粒径仅限于0.02?0.1mm0较新的激光衍射测量技术(Mikkelsen and Pejrup, 2001 ；Fugate and Friedrichs, 2002 ;等)，其缺陷是只能在低浓度条件下工作(0.2?0.5kg/m3),适用的粒径范围是0.005mm?0.56mm,太细或者太粗的颗粒都会影响测量的精度，目前应用不多。此外，上述测量仪器和方法多集中于实验室内的研究，同时适用于实验室和现场测量的方法较少。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，旨在解决现有的泥沙群体沉速测量方法适用范围窄、测量精度低的问题。本专利技术是这样实现的，，根据泥沙扩散理论间接测得，紊流中的细颗粒泥沙，一方面因各层水团交换而引起泥沙的交换，另一方面因重力作用而发生沉降，当二者达到平衡状态时，可用扩散方程描述。假定恒定状态，并且水流方向无浓度梯度，则扩散方程可简化为:ω Sv+ ε ydSv/dy = O⑴式中:ω是泥沙沉速，Sv是泥沙浓度，ε y是泥沙扩散系数。可以看出，如果泥沙浓度和扩散系数已知的话，即可获得泥沙的沉速。根据泥沙的扩散理论，一般有如下假定:【权利要求】1.，其特征在于，所述的悬移质泥沙群体沉速的检测方法，先假定恒定状态、水流方向无浓度梯度条件下简化扩散方程，然后根据泥沙扩散理论做出假设，通过ADV得到瞬时流速和与流速同步的瞬时含沙量，最后得到悬移质泥沙群体的沉速。2.如权利要求1所述的悬移质泥沙群体沉速的检测方法，其特征在于，具体步骤如下: 第一步，根据泥沙扩散理论间接测得，紊流中的细颗粒泥沙，一方面因各层水团交换而引起泥沙的交换，另一方面因重力作用而发生沉降，当二者达到平衡状态时，可用扩散方程描述；假定恒定状态，并且水流方向无浓度梯度，则扩散方程可简化为:ω Sv+ ε ydSv/dy = O(I) 式中:ω是泥沙沉速，Sv是泥沙浓度，ε y是泥沙扩散系数； 第二步，根据泥沙的扩散理论，一般有如下假定: -sydSjdy = v'S'v(2) 式中为垂向流速，上标^和-分别代表脉动值和平均值； ⑴、⑵两式合并可得:(3)o)Sv=vSv 第三步，由ADV直接测得瞬时流速，而瞬时含沙量则需标定声波强度和含沙量的关系，根据事先标定好的关系，将声波强度转化为含沙量，得到与流速同步的瞬时含沙量； 第四步，根据公式(3)得出悬移质泥沙群体沉速。3.如权利要求1所述的悬移质泥沙群体沉速的检测方法，其特征在于，ADV用于室内试验和现场测量时，需要分别进行标定声强和含沙量的关系。【文档编号】G01P5/00GK103675328SQ201310638693【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日 【专利技术者】胡江, 付旭辉, 杨胜发, 李文杰, 陈阳, 吴国茂, 徐威震, 李斌强 申请人:重庆交通大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬移质泥沙群体沉速的检测方法，其特征在于，所述的悬移质泥沙群体沉速的检测方法，先假定恒定状态、水流方向无浓度梯度条件下简化扩散方程，然后根据泥沙扩散理论做出假设，通过ADV得到瞬时流速和与流速同步的瞬时含沙量，最后得到悬移质泥沙群体的沉速。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡江，付旭辉，杨胜发，李文杰，陈阳，吴国茂，徐威震，李斌强，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85