黏性细颗粒泥沙絮凝及沉降的三维模拟

鉴于试验观察黏性细颗粒泥沙悬浮体系絮凝-沉降过程存在技术困难，尝试以分形生长理论为基础，使用改进的受限反应絮团聚集(RLCCA)模型，在计算机上模拟这一复杂过程。模型考虑了絮团的分形结构与可渗透特性、泥沙浓度对悬浮液黏性的影响等因素，复演颗粒、絮团在重力沉降和布朗作用下的三维运动及相互碰撞并黏结的现象。在对模拟数据的统计分析基础上，讨论了絮凝-沉降过程的各种特性，结果表明：碰撞效率系数不同时，絮凝发育过程存在相似性。     

黏性泥沙絮凝研究进展

黏性泥沙颗粒的絮凝特性表现出与粗颗粒泥沙迥异的物理及输移特性,因此黏性泥沙絮凝是河流海洋泥沙理论研究中的热点之一。总结了黏性泥沙絮凝在试验研究和数学模型方面的研究成果,介绍了最新的相关研究进展,并分析了现有研究中存在的问题。认为目前存在的主要问题有:①有关黏性泥沙的试验研究以单因素影响试验为主,缺少多因素影响研究;②对泥沙絮团的三维结构形态研究不足;③相关数学模型只能描述定性规律。今后应在黏性泥沙相似准则、多因素影响试验、絮团微观结构观测仪器开发、大尺度三维絮凝数值模拟等方面加强研究。     

黏性细颗粒泥沙絮凝研究浅析

絮凝现象是黏性细颗粒泥沙淤积的重要原因,泥沙絮凝对泥沙淤积规律和模拟具有重要意义.由于黏性细颗粒泥沙絮凝受多重因素影响,其形成机理极为复杂,有必要对现有研究成果进行总结与整理.在系统分析现有研究基础上,从研究方法、研究成果两方面,对研究进展进行整理,明确进一步研究方向与思路.     

黏性泥沙絮凝体结构观测与分形维数估算

用液氮冷冻升华方法制备黏性泥沙絮凝体标本。实验分析指出：采用体视镜观察絮凝体的图像具有较好的立体感;激光共聚焦显微镜可以获得絮凝体水平分层断面图像;引用分形集的横切面理论,可以得到黏性泥沙在三维空间的分彤维数。     

黏性泥沙絮凝研究现状与进展

黏性泥沙絮凝机理研究对河口、水库、航道淤积治理及水环境保护具有重要意义.总结了泥沙絮凝研究中数值模拟、现场观测、室内试验等手段的试验装置和方法,阐述了紊动剪切率、盐度、悬沙浓度、有机质等因素作用下的泥沙絮凝研究成果.分析认为,在三维絮团结构观测、高浓度水体絮凝试验装置、多因素影响的泥沙絮凝,以及水流紊动与絮团特性对应关...     

黏性泥沙不等速沉降絮凝的格子Boltzmann模拟

建立黏性泥沙运动的三维格子Boltzmann模型,对黏性泥沙不等速沉降絮凝过程进行全尺度直接数值模拟,从微观角度分析了泥沙颗粒不等速沉降形成的絮团特性和絮团成长过程。模拟结果与已有实验结果一致。模拟结果还表明,不等速沉降时不同泥沙浓度条件下形成的絮团若大小相近则沉降速度接近,但泥沙浓度对水体中泥沙总体平均沉速有明显影响,泥沙浓度越高,泥沙平均沉速越大,主要是因为泥沙浓度越大,颗粒之间越容易发生碰撞而形成更大、更多的絮团。     

絮凝剂作用下黏性细沙絮凝沉降规律研究

细颗粒泥沙广泛分布于河流、水库、河口及海岸水体中,其絮凝沉降及输移规律是泥沙运动力学中一个重要课题。采用自制沉降实验装置,实验观测了不同絮凝剂浓度、不同浓度黏性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程,分析研究了黏性细沙絮凝沉降规律。结果表明：聚合氯化铝(PAC)絮凝剂比较稳定,PAC溶液浓度对不同泥沙浓度絮团沉速的影响均较小,最佳投放浓度可统一采用0.08 g/L。阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)絮凝剂对泥沙浓度的反应最为敏感,絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为3个稳定段和2个敏感段,稳定段CPAM最佳投放浓度分别为0.08、0.10和0.12 g/L,敏感段CPAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)絮凝剂最佳投放浓度随着泥沙浓度的变化分为2个稳定段和1个敏感段,稳定段APAM最佳投放浓度不随泥沙浓度的变化而变化,分别为0.08和0.10 g/L,敏感段APAM最佳投放浓度可采用区间插值方法选取。絮凝剂APAM的絮凝效果最好,絮凝剂CPAM的絮凝效果次之,絮凝剂PAC的絮凝效果较差。     

黏性泥沙絮凝研究综述与展望

絮凝是黏性泥沙最重要的特性之一,也一直是泥沙基本理论和运动规律研究的重点和难点课题,对絮凝过程与机制的研究是理解、模拟和预测黏性泥沙及其携带物质输运规律的关键.总结了黏性泥沙絮凝机制、絮团特性和影响絮凝因素方面的研究成果与进展,并分析提出了现有研究的不足,主要有三方面:对黏性泥沙生物絮凝过程与作用机理的精细化研究薄弱;...     

紊动和温度联合作用对黏性泥沙絮凝沉降影响试验研究

河口海岸地区,黏性泥沙絮凝沉降特性对泥沙输移起着重要作用。影响黏性泥沙絮凝的因素很多,其中水体剪切和温度是两个重要因素。利用一种温度和紊流同时可控的泥沙沉降观测实验装置,以高岭土为实验材料,研究了紊动和温度联合作用下对黏性泥沙絮凝沉降的影响规律。研究发现弱紊动条件下,随着温度的升高,高岭土浓度变化越快;强紊动条件下,温度对浓度变化的影响不明显。絮团粒径随温度升高而增大,随着紊动强度的增加先增大后减小。相同剪切率条件下,絮团沉降速度随温度的升高而增加;相同温度条件下,絮团沉降速度随紊动强度的增加先增大后减小,主要是由于小剪切强度条件会促进絮凝,而剪切率增大能抑制絮凝,导致大絮团破裂形成小絮团。     

温度对黏性泥沙絮凝影响的机理研究

用格子玻耳兹曼方法,引入胶体作用理论(e Xtended Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek theory,XDLVO理论)模拟不同温度下两个黏性泥沙颗粒静水不等速沉降絮凝过程。结果表明,温度升高缩短泥沙絮凝时间,促进絮凝。同时分析了泥沙颗粒的运动轨迹、相对运动速度和颗粒间近距离作用力,探讨温度对泥沙絮凝的影响机理。分析结果认为温度升高一方面减小水体黏性系数,加大泥沙沉速,加快泥沙颗粒相互靠近;另一方面,增大泥沙颗粒表面吸附水膜厚度的同时,也增大泥沙颗粒之间的近距离排斥力,对吸附水膜厚度和排斥力影响的综合结果也促进了絮凝。     

粘性细颗粒泥沙絮凝研究概述

以絮凝动力学理论(Smoluchowski方程)、胶体稳定性理论(DLVO理论)和分形几何(Fractal Geometry)在絮凝研究中的应用为线索，回顾了粘性细颗粒泥沙絮凝结构，絮团沉速，以及影响絮凝因素(泥沙粒径、浓度、电解质阳离子、温度和水流紊动等)等方面的研究成果；综述了絮团的尺寸、密度、沉速、破坏强度及碰撞频率函数的分形几何描述方式；介绍了快速絮凝和慢速絮凝的分形生长模型，以及絮凝发育过程数值模拟的研究进展．针对河流泥沙在矿物组成、颗粒尺度、表面电荷分布和水中盐分多样性的特点，以及粘性细颗粒泥沙絮凝研究的特殊性，提出进一步深化粘性细颗粒泥沙絮凝研究的建议．     

黏性泥沙数学模拟中几个关键问题的研究进展

综合评述了黏性泥沙数学模拟中的关键问题,包括泥沙絮凝沉速、水流挟沙力、恢复饱和系数等参数的选取,以及黏性泥沙固结模型的研究。对黏性泥沙数学模拟需进一步研究的问题提出了若干建议。     

均匀切变水流对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响研究

黏性细颗粒泥沙的絮凝是河流动力学中一个重要且尚未完善的研究课题。本文以分形聚集生长理论为基础,考虑了絮团破碎、泥沙浓度等因素的影响,使用三维无网格方法,在MATLAB平台上通过模拟泥沙颗粒和絮团在布朗运动、重力沉降和均匀切变水流作用下的碰撞黏结过程,研究了水流剪切作用对黏性细颗粒泥沙絮凝的影响。研究结果表明：水流作用可提高颗粒之间的碰撞几率,促进絮凝,但高水流剪切力作用下絮团破碎现象明显,因此,水流速度梯度的大小对细颗粒泥沙的絮凝有一定的影响,即絮凝速度及絮团平均粒径随水流流速梯度的增大呈先增后减的规律;均匀切变水流作用下,絮团粒径分布均匀化,絮团在垂直水流方向上发育较好且分形维数较大。本文研究成果是进一步研究天然河道中黏性细颗粒泥沙絮凝机理的成功尝试。     

粘性细颗粒泥沙静水絮凝沉降生长的计算机模拟

利用分形生长模型对粘性细颗粒泥沙的絮凝沉降过程进行了计算机模拟,在扩散受限的絮团聚集模型(DLCA模型)的基础上,初步研究了粘性细颗粒泥沙的絮凝沉降分形生长过程,并对最终的絮凝体进行了图像处理,得到了分形维数和颗粒浓度的关系。     

湖泊底泥絮凝沉降试验研究

湖泊底泥的运动过程产生了内源污染,加剧了湖泊生态环境的恶化。研究湖泊底泥在风浪作用下悬浮后再沉降的运移规律,可为了解湖泊水质变化成因以及开展生态环境治理提供技术支持。本课题采用有机玻璃制作的沉降桶,在静水条件下对太湖、龙感湖、巢湖的底泥进行了沉降试验,研究3个湖泊的水体在不同初始含沙浓度和不同水深条件下含沙浓度的变化,分析了3个湖泊淤泥的沉降规律,近似代表天然湖泊的底泥运动状态。试验研究表明3个湖泊水体中悬浮泥沙的沉降均为絮凝沉降,其沉降过程和沉速与单颗粒泥沙相比均发生了量和质的变化,悬浮泥沙絮凝平均沉速随沉距、含沙浓度的增大而增大。最后得出3个湖泊底泥的沉降速度,其研究结果可为采用絮凝沉降法改善水质环境提供参考依据。     

Image-pro plus软件在泥沙絮凝体结构特征分析中的应用

利用Image-pro plus图像处理软件,分析研究了絮凝体SEM图像,提取了絮凝体外形尺寸及絮凝体内孔隙直径、孔隙率、孔隙比等特征,分析了这些特征与泥沙浓度及絮凝剂浓度的关系。结果表明:采用Image-pro plus软件处理得到的絮凝体结构特征的变化规律与现有结论基本一致,絮凝体沉速随着絮凝体孔隙比的增大而减小,证明了Image-pro plus软件应用于分析絮凝体SEM图像的可行性。     

A simple formula for predicting settling velocity of sediment particles

Based on the general relationship described by Cheng between the drag coefficient and the Reynolds number of a particle, a new relationship between the Reynolds number and a dimensionless particle parameter is proposed. Using a trial-and-error procedure to minimize errors, the coefficients were determined and a formula was developed for predicting the settling velocity of natural sediment particles. This formula has higher prediction accuracy than other published formulas and it is applicable to all Reynolds numbers less than 2× 10^5.