CN108827871B - 一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法 - Google Patents

一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法，包括以下步骤：(1)获取管式泥沙侵蚀试验装置的相关尺寸，计算相关参数；(2)获取泥沙试样的中值粒径d50；(3)获取试验时管中水流的平均流速U；(4)分别评估管道壁面和泥沙试样表面的粗糙程度；(5)采用Colebrook公式计算管道壁面和泥沙试样表面的摩擦系数，考虑管道壁面雷诺数和泥沙样品表面雷诺数之间的关系以及管道壁面摩擦系数和泥沙试样表面摩擦系数之间的关系，构建管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数计算模型，根据已知物理量求解此计算模型方程组，得到试验流速U对应下的泥沙试样表面摩擦系数；(6)将步骤(5)中的泥沙试样表面摩擦系数带入Darcy公式，计算得到泥沙表面切应力。本发明提供的切应力确定方法具有准确可靠且适用性广的特点。

Description

一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法
技术领域
本发明涉及一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法，属于泥沙动力学测量技术领域。
背景技术
当水流动力作用超过底床泥沙的冲刷阈值时，就会发生泥沙侵蚀。泥沙侵蚀致使水体含沙量的增大，进而引起泥沙输运、地形演变和潜在的污染物扩散。同时，泥沙侵蚀还可能造成水利工程的失败，包括土体滑坡、坝体失稳和桥桩破坏。然而由于水流和底床复杂的相互作用以及泥沙自身复杂的物理化学特性，准确的量化泥沙的可侵蚀特性，包括临界冲刷切应力(或称为临界侵蚀切应力和起动切应力)和冲刷率(或称侵蚀率)，还严重依赖物理模型试验。
目前可以用于测试泥沙可侵蚀性的试验设备主要分为六类：明渠水槽装置、环形水槽装置、管式泥沙侵蚀试验装置、旋转泥沙侵蚀装置、喷射式装置以及水下原型水槽装置。管式泥沙侵蚀试验装置因具有尺寸小，操作容易，能够产生均匀的高速水流等优点，自20世纪90年代中叶开始，被大量设计、建造并广泛应用于泥沙可侵蚀性试验研究中。本发明公开的确定泥沙表面切应力的方法就是针对这种类型的试验设备。
一个典型的管式泥沙侵蚀试验装置通常由一个管道系统和一个装有泥沙样品的推进系统组成。利用此装置进行泥沙可侵蚀性试验时，首先将装有泥沙样品的推进系统安装到管道系统上，然后将系统注满水，并维持一定的流量。当管道水流流经泥沙试样表面时，水流引起泥沙的侵蚀。在侵蚀的过程中，利用推进系统保持泥沙试样表面与管道内底相齐平。管式泥沙侵蚀试验装置可用于研究泥沙(包括原状土和人工泥沙样品)的起动切应力和冲刷率。管式装置的主要困难在于由于系统的封闭性，很难直接测量泥沙样品表面的切应力。目前常用于此类装置确定泥沙样品表面切应力的办法有压力水头差法、光滑壁面假设法以及Moody图或称Colebrook公式法。然而这些方法存在以下的一些问题。
不能考虑管道壁面切应力和泥沙试样表面切应力的差异。目前常用的压力水头差法通常在泥沙样品前后各设置一个水压力测量点，通过压力差计或者两个压力计测量两个测量点之间的压差。通过压差计算切应力。但这种方法计算得到的切应力是两个测量点之间所有边壁(包括管道壁面和泥沙试样表面)切应力的平均值，不能准确表征泥沙试样表面的切应力。光滑壁面假设法假设管道壁面和泥沙试样表面均为水力光滑的，而Moody图法则对管道壁面和泥沙样品表面取一个总体的粗糙高度。这两个方法同样也不能反应管道壁面切应力和泥沙试样表面切应力的差异。
不具备对不同尺寸管道试验装置和不同泥沙样品的普适性。压力水头差法和光滑壁面假设法适合于较为光滑的泥沙试样，如细颗粒的粘土，对粗糙程度较大的粉沙、细沙和中粗沙计算结果偏离较大。Moody图法对管道壁面和泥沙样品表面采用了的一个总体的粗糙高度。但其取值应该是泥沙粒径和管道的尺寸的函数。对于不同尺寸的管道试验装备，应该取不同的总体粗糙高度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种准确可靠且适用性广的用于管式泥沙侵蚀试验装置中确定泥沙表面切应力的确定方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法，包括以下步骤：
(1)获取管式泥沙侵蚀试验装置的相关尺寸，计算相关参数；
(2)获取泥沙试样的中值粒径d50；
(3)获取试验时管中水流的平均流速U；
(4)分别评估管道壁面和泥沙试样表面的粗糙程度；
(5)采用Colebrook公式计算管道壁面和泥沙试样表面的摩擦系数，考虑管道壁面雷诺数和泥沙样品表面雷诺数之间的关系以及管道壁面摩擦系数和泥沙试样表面摩擦系数之间的关系，构建管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数计算模型，根据已知物理量求解模型方程组，得到试验流速U对应下的泥沙试样表面摩擦系数；
(6)将步骤(5)中的泥沙试样表面摩擦系数带入Darcy公式，计算得到泥沙表面切应力。
步骤(1)中所述相关参数为管道过水断面面积A、泥沙样品在管内的平均湿周χb和管道在泥沙样品处的平均湿周χw。
步骤(4)中管道壁面粗糙高度ks,w可根据测量获得，当管道由有机玻璃或锈蚀较少的无缝金属制成，可近似取管道壁面粗糙高度ks,w为0；泥沙试样的粗糙高度ks,b取值为泥沙试样中值粒径的一半。
步骤(4)中管道壁面的粗糙高度ks,w采用压力水头损失法测量。
步骤(5)中管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数计算模型构建方法如下：引入总体雷诺数Re、管道壁面雷诺数Rew和泥沙试样表面雷诺数Reb，分别定义为
Figure BDA0001768997340000031
和
Figure BDA0001768997340000032
式中：U为管中平均流速，A为管道横断面面积，υ为水流运动粘滞系数，χb为泥沙试样在管道内的平均湿周，χw为管道在泥沙试样处的平均湿周，χ为总湿周，χ＝χw+χb，Aw和Ab分别为管道壁面和泥沙试样表面对应的过水面积，根据质量守恒定律得到管道壁面雷诺数和泥沙试样表面雷诺数之间的关系式：
Figure BDA0001768997340000041
采用对管道壁面和泥沙试样表面相同的水力坡降，得到管道壁面摩擦系数和泥沙试样表面摩擦系数之间的关系：
Figure BDA0001768997340000042
式中，fw和fb分别为管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数；
根据管道壁面雷诺数和泥沙试样表面雷诺数的关系以及管道壁面摩擦系数和泥沙试样表面摩擦系数的关系，并采用Colebrook公式计算管道壁面和泥沙试样表面的摩擦系数，得到管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数计算模型为：
Figure BDA0001768997340000043
式中：ks,w和ks,b分别为管道壁面和泥沙试样表面的粗糙高度，fw和fb分别为管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数。
步骤(6)中将步骤(5)得到的泥沙试样表面摩擦系数fb带入Darcy公式
Figure BDA0001768997340000044
计算得到泥沙表面切应力τb，其中ρ为水的密度。
本发明所达到的有益效果：本发明提供的测量方法与现有方法相比，能够考虑管道壁面和泥沙样品表面切应力的不同，对泥沙表面切应力的计算更为准确，且具有对不同装置尺寸(包括不同管道尺寸和泥沙容器尺寸)更好的适应性。
附图说明
图1是管式泥沙侵蚀试验装置泥沙样品测试段示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
某管式泥沙侵蚀试验装置在泥沙样品试验段的示意图如图1所示。一个装有泥沙样品的圆管型容器作为推进系统的一部分被安装到矩形管道系统上。管中水流流经泥沙样品表面时，若水流动力大于泥沙侵蚀阈值，泥沙样品将发生侵蚀。不同的流速下，可以观察和研究不同的泥沙侵蚀行为和机理。本实施例包含利用该装置试验某泥沙样品时，不同流速下泥沙表面切应力的计算。
步骤1：测量得到该装置管道断面宽9.4cm，高4.4cm，即a＝0.044m，b＝0.095m；泥沙试样容器截面为圆形，内径Ds为0.08m。根据这些尺寸得到：
管道过水断面面积A＝a×b＝0.044×0.095＝0.00418m2；
泥沙样品在管道内的平均湿周χb＝πDs/4＝3.14×0.08/4＝0.0628m；
管道在泥沙样品处的平均湿周χw＝2×(a+b)-χb＝0.2152m。
步骤2：可由马尔文粒度仪或用筛子通过筛分法得到泥沙样品的中值粒径，本实施例中，泥沙样品的中值粒径为0.279mm即2.79E-4m。
步骤3：记录下试验时管中平均流量，将平均流量除以管的过水断面面积得到管中平均流速U。本实施例中，进行了5次试验，得到的平均流速分别为0.28m/s、0.30m/s、0.32m/s、0.34m/s和0.36m/s。
步骤4：根据压力水头损失法测量得到管道壁面的粗糙高度ks,w为2.51E-5m；取泥沙样品表面的粗糙高度ks,b等于0.5倍的泥沙中值粒径，即ks,b＝0.5×0.279mm＝1.395E-4m。
步骤5：采用Colebrook公式计算管道壁面和泥沙样品表面的摩擦系数，并结合管道壁面雷诺数和泥沙样品表面雷诺数的关系以及管道壁面摩擦系数和泥沙样品表面摩擦系数的关系，建立如下求解管道壁面和泥沙样品表面摩擦系数的数学模型:
Figure BDA0001768997340000061
式中：υ为水流运动粘滞系数,一般可取1.006E-6m2/s；Rew和Reb分别为管道壁面和泥沙样品表面对应的雷诺数；fw和fb分别为管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数。
对于每次试验，管中平均流速U、管道过水断面面积A、水流运动粘滞系数υ、泥沙样品在管道内的平均湿周χb、管道在泥沙样品处的平均湿周χw、管道壁面粗糙高度ks,w和泥沙样品粗糙高度ks,b均为已知量，则上面的计算模型构成以管道壁面和泥沙样品表面摩擦系数fw和fb以及管道壁面和泥沙样品表面对应的雷诺数Rew和Reb为未知量的闭合方程组。
对每次试验平均流速求解上述方程组，得到每次试验平均流速对应下的泥沙样品表面摩擦系数。本实施例中，五次试验平均流速0.28m/s、0.30m/s、0.32m/s、0.34m/s和0.36m/s对应泥沙样品表面摩擦系数计算结果为0.0306、0.0302、0.0299、0.0296和0.0293。
步骤6：将步骤5中得到的各试验组次对应的泥沙样品表面摩擦系数带入Darcy公式
Figure BDA0001768997340000071
计算得到各试验组次下泥沙样品表面切应力分别为0.2995Pa、0.3398Pa、0.3825Pa、0.4276Pa和0.4751Pa。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)管式泥沙侵蚀试验装置包括矩形管道系统以及安装在矩形管道系统上的圆管型容器；测量矩形管道断面的宽度值a、高度值b，测量圆管型容器截面的内径DS；然后计算管道过水断面面积A＝a×b，泥沙样品在管道内的平均湿周χb＝πDs/4，管道在泥沙样品处的平均湿周χw＝2×(a+b)-χb；
(2)获取泥沙试样的中值粒径d50；
(3)获取试验时管中水流的平均流速U；
(4)分别评估管道壁面和泥沙试样表面的粗糙程度；
(5)采用Colebrook公式计算管道壁面和泥沙试样表面的摩擦系数，考虑管道壁面雷诺数和泥沙样品表面雷诺数之间的关系以及管道壁面摩擦系数和泥沙试样表面摩擦系数之间的关系，构建管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数计算模型，并根据已知物理量求解模型方程组，得到试验流速U对应下的泥沙试样表面摩擦系数；
管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数计算模型的构建方法如下：
引入总体雷诺数Re、管道壁面雷诺数Rew和泥沙试样表面雷诺数Reb，分别定义为
Figure FDA0002664668380000011
和
Figure FDA0002664668380000012
式中：U为管中平均流速，A为管道横断面面积，υ为水流运动粘滞系数，χb为泥沙试样在管道内的平均湿周，χw为管道在泥沙试样处的平均湿周，χ为总湿周，χ＝χw+χb，Aw和Ab分别为管道壁面和泥沙试样表面对应的过水面积，根据质量守恒定律得到管道壁面雷诺数和泥沙试样表面雷诺数之间的关系式：
Figure FDA0002664668380000013
采用对管道壁面和泥沙试样表面相同的水力坡降，得到管道壁面摩擦系数和泥沙试样表面摩擦系数之间的关系：
Figure FDA0002664668380000014
式中，fw和fb分别为管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数；
根据管道壁面雷诺数和泥沙试样表面雷诺数的关系以及管道壁面摩擦系数和泥沙试样表面摩擦系数的关系，并采用Colebrook公式计算管道壁面和泥沙试样表面的摩擦系数，得到管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数计算模型为：
Figure FDA0002664668380000021
式中：ks,w和ks,b分别为管道壁面和泥沙试样表面的粗糙高度，fw和fb分别为管道壁面和泥沙试样表面摩擦系数；
(6)将步骤(5)中的泥沙试样表面摩擦系数带入Darcy公式
Figure FDA0002664668380000022
计算得到泥沙表面切应力τb，其中ρ为水的密度。
2.根据权利要求1所述的一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法，其特征是，步骤(4)中管道壁面粗糙高度ks,w可根据测量获得，当管道由有机玻璃或锈蚀较少的无缝金属制成，可近似取管道壁面粗糙高度ks,w为0；泥沙试样的粗糙高度ks,b取值为泥沙试样中值粒径的一半。
3.根据权利要求2所述的一种管式泥沙侵蚀试验装置中泥沙表面切应力确定方法，其特征是，步骤(4)中管道壁面的粗糙高度ks,w采用压力水头损失法测量。
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