均匀沙起动概率计算模型比较研究

作     者：钟臣勇 杨奉广 聂锐华 黄尔 刘兴年 

作者机构：四川大学山区河流保护与治理全国重点实验室 

出 版 物：《工程科学与技术》 (Advanced Engineering Sciences)

年 卷 期：2024年

核心收录：

学科分类：08[工学] 081502[工学-水力学及河流动力学] 0815[工学-水利工程] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(51979180) 四川省科技计划资助项目(2023NSFSC1989) 

主　　题：均匀沙 平均流速 水流上举力 水流推移力 泥沙起动 

摘      要：天然河流水流会挟带大量泥沙，这种泥沙运动会影响水流结构和河床，因此泥沙起动概率问题对于山洪治理、水力发电以及水库淤积等具有重要意义。本文采用滚动或者滑动的运动模式，结合泥沙颗粒水流推移力FD、水流上举力FL和泥沙自身的重力与W与泥沙颗粒休止角之间的关系，当泥沙颗粒起动时，其水平方向的推移力FD必须大于阻力(W-FL)tanφ，根据受力平衡关系式得到了泥沙颗粒起动概率积分表达式，该表达式充分揭示了泥沙颗粒的受力图景，弥补了以往起动概率公式忽略水流推移力的不足。本文建立的起动概率公式有5个参数需要确定。通过无量纲粒径参数d*结合实验资料，求出了起动概率公式中的休止角正切值变量tanφ；利用粗糙床面水流流速和紊动分布实验数据，确定了近床面的平均流速■和水流方向的紊动强度σ；利用均匀沙起动资料结合比例法确定了水流推移力系数CD和水流上举力系数CL；利用Luque的7组实测资料和Guy的108组实验资料对本文泥沙颗粒起动概率公式进行了验证，并与爱因斯坦公式、Engelund and Fredsoe公式以及程年生计算公式进行了比较。比较结果显示：本研究得到的起动概率公式具有最高的计算精度。另外，对于临界状态的泥沙颗粒，本研究起动概率倾向于弱动的起动模式，而其它公式则趋向于中动起动模式；最后，与经典的希尔兹起动概率公式比较，本文取得的起动概率公式可以很好的与希尔兹曲线重合，而其它公式则是一条直线，只能计算大颗粒的泥沙起动问题。