圆形射流冲刷疏松淤沙的研究(刘成,何耘,韦鹤平)

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圆形射流冲刷疏松淤沙的研究

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刘 成1何 耘2韦鹤平3水利论文'WxNA2m?'P,|;P
(1.国际泥沙研究培训中心 2.安徽建筑工业学院 3.同济大学)
水利论文.NI;v`1Y1`!D3Z6K+D

摘要:结合城市污水海洋处置工程的研究,通过模型试验,研究和探讨了水平圆形射流冲刷淤埋喷口的疏松淤沙的规律。根据试验现象,可将圆形射流对淤沙的冲刷过程分为三个阶段,即泥沙初始流化阶段、泥沙完全流化阶段和形成稳定、清晰的冲刷坑阶段。通过量纲分析和对试验数据进行回归分析,分别提出了圆形水平射流在静水环境下对淤埋喷口的疏松淤沙冲刷的临界射流冲淤流速、冲刷坑尺寸计算的经验公式。

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关键词:射流;冲刷;泥沙;水力模型水利论文@Y;~O,W M1J*p

作者简介:刘成(1964-),男,国际泥沙研究培训中心博士后流动,安徽建筑工业学院副教授。

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  城市污水多通过排放口扩散器离岸潜没排放至海洋,扩散器的排放孔口一般设在海床之上一定高度。但是,海洋中,特别是在海岸附近和河口水域存在来源于河流、海岸侵蚀、生物碎屑、围垦或倾废等泥沙[1]。这些泥沙在波浪、潮汐和水流的作用下,可能会在排放口扩散器附近产生泥沙淤积。在风暴潮等极端水流条件作用下,也可能会发生大量泥沙短时间的搬运,大量泥沙短期内淤埋于扩散器上的海床,当扩散器喷口处的水压力不能冲开泥沙淤积时,则造成排放口排水不畅。在正常的波浪、潮汐和水流作用下,海床上一般也存在不断的冲刷和淤积,如果在扩散器处存在不断的泥沙淤积过程,而排放口处于建设期、运行中因故停止运行或小流量运行一个时期,不断淤厚的泥沙可能也会淤埋扩散器喷口。因此有必要对泥沙淤埋情况下喷口射流对泥沙的冲淤规律进行研究,以供工程设计参考。

RQi$j#zz0Y0

  圆形射流冲刷淤埋喷口的疏松淤沙的研究在国内外尚鲜见报道,因水利工程上的应用,多数研究是针对水平射流冲刷孔口下部泥沙的研究。本研究主要是研究泥沙淤埋孔口后,单股圆形射流冲刷疏松淤沙的规律。

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1 模型设计水利论文)g cN's+B

  通过模型试验研究射流运动和冲刷淤沙形成冲刷坑问题,在相似要求上存在的特点值得注意。一般泥沙模型关于水流泥沙运动的相似要求在这种模型中也应当得到满足,自不待言。值得强调的有以下几点:(1) 模型应做成几何正态。因为凡是有冲刷坑存在的地方,都存在平轴环流及相应向上水流,这种向上水流是决定冲刷坑形态及大小的最重要的要素之一,而变态模型在竖直方向的水流运动是不可能做到相似的;(2) 模型水流应尽可能满足惯性力重力比相似。冲刷坑中水流流速的大小和方向沿程发生急剧变化,惯性力占有十分重要的地位,不可忽视;(3) 模型沙必须严格满足起动相似[2]

I.n|K"^.J8X~)Nwx0

  根据上述要求,模型设计为正态,模型比尺取为λL=50。试验中采用轻质模型沙人工的酚醛塑料沙(电木屑),重度为1.40t/m3。模型沙的选择主要按泥沙起动流速相似进行,采用的模型沙中值粒径为0.3mm,颗粒级配与原型沙颗粒级配大致相似。水利论文jT nqm V[7d*e

  圆形射流对淤埋泥沙的冲刷与很多因素有关,如环境水深、淤沙厚度、射流流速、孔口直径、环境水流流速、射流方位角(即射流方向与环境水流方向的夹角)等。本文结合上海市污水治理二期工程白龙港排放口的研究,分析泥沙淤积在喷口上后,水平喷口射流对泥沙的冲刷规律,从而对工程研究中提出的各种可行性方案的喷口设置高度提出设计参考依据。

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2 模型试验成果

n9}1aM/U]n Ik0

2.1 圆形射流对淤沙冲刷的现象

B4npo~-J;^7x:V0
  泥沙淤埋喷头后,随着排放流量的逐渐增加,圆形射流对疏松泥沙的冲刷过程可分为三个阶段:(1)泥沙初始流化阶段:喷口射流流速较小时,水流在沙内渗流,随着喷口射流流速的继续增加,逐渐变为不连续的水沙混合水泡向上移动,沙面上形成小范围圆形起伏,如“沸腾气泡”状;(2)泥沙完全流化阶段:随着喷口射流流速的继续增加,泥沙起伏范围逐渐加大,圆形的“沸腾气泡”渐渐变成椭圆形的流化区,水流挟带泥沙在此范围内上涌、下落,由于水流冲力尚未达到足够大,使扬起的泥沙主要仍在冲刷坑内下落,只有少数扬起的泥沙冲至冲刷坑外,平衡后,冲刷坑不再扩大;(3)形成稳定、清晰的冲刷坑阶段:当喷口流速继续加大,水流动能增加,冲刷坑继续拓展,形状变成扁长的椭圆形。在喷口流速达到某一定值时,水流挟带泥沙主要呈扩展冲刷坑状态,由于流速已足够大,使得冲起的泥沙随着水流抛向冲刷坑外,冲刷坑迅速扩大。当冲刷状态基本稳定时,冲刷坑内已呈清晰的冲刷坑,坑内基本无泥沙扬起、下落。此后,如果继续增大喷口流速,则冲刷坑继续扩大(如图1所示)。

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图1 形成稳定、清晰的冲刷坑水利论文$@#r i+Op? N C7| qy
Fig.1 Stable and clear scouring pit水利论文!\J]av

  为便于分析,这里将刚进入第三阶段的流速称为临界射流冲淤流速。对于一定的泥沙淤积厚度,当射流流速小于临界射流冲淤流速时,则射流对淤沙的冲刷处在初始流化阶段或完全流化阶段,此时,冲刷坑内仍有大量泥沙,可能会对排放口扩散器的正常运行产生不利影响;当喷口射流流速大于临界射流冲淤流速时,已形成稳定、清晰的冲刷坑,则环境泥沙已对扩散器的正常运行不会构成任何威胁。水利论文_/kr]`Iz[&p/H

2.2 模型试验成果概述

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  根据模型试验,可得出如下成果:

l8Ih/K/Ah0

  在一定的环境水深范围(H=5~8m)内,水深对临界射流冲淤流速无明显影响;临界射流冲淤流速随覆沙厚度增加而增加;临界射流冲淤流速随着喷口直径减小而增大。

h N(oxl0

  当射流流速小于临界射流冲淤流速时,冲刷坑长度随射流流速增加而增加;当射流流速达到临界射流冲淤流速时,冲刷坑长度迅速增加,直至冲刷平衡;当射流流速大于临界射流冲淤流速时,冲刷坑长度又随射流流速增加而增长。

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3 水平圆形射流冲刷淤沙的经验公式水利论文t"G%Hg f N!Qd

  研究喷口射流冲刷淤沙这种复杂的问题,涉及的因素很多,通过理论推导求解目前尚不可能。量纲分析可有效地将不同变量组合,得出较为合理的无量纲经验方程。从喷口射流冲刷淤积泥沙的79组试验中,抽出水平圆形射流冲刷淤沙的数据,分析得到适用于本工程的经验公式。具体选用数据数及参数范围见表1(注:表中参数值为换算的原型值)。

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表1 经验公式推求采用的数据数及参数范围
yj3K@ K D0Table 1 Data and parameter ranges for the empirical formnla determining

GW;P+}+BD0

v<vjc水利论文3~X1MNJ|!l-yb

v>vjc

J K|Jb0

Frc公式水利论文g:ys5x.N*Q.\#W


L公式L公式  B公式t公式

数据数1318161211
泥沙中值粒径d50(mm)0.0080.0080.0080.0080.008
泥沙重度γs(t/m3)2.652.652.652.652.65
喷口直径D(m)0.175~0.380.26~0.380.28~0.380.380.38
覆沙厚度(m)0.5~1.20.5~1.20.5~1.20.7~1.20.7~1.2

3.1 喷口临界射流冲淤流速经验公式推求水利论文k ]g'A`K1c4H4j?

  喷口临界射流冲淤流速vjc主要与喷口直径D、泥沙和环境水体的重度γs和γ、淤沙厚度h、泥沙粒径d50、重力加速度g 6个变量有关,加上临界射流冲淤流速共计7个变量。则可表达为水利论文 v)Z8s.nD M?

f(vj, D, γs,γ, h, d50,g)=0

)~j*g3w j0

  选取vj、D、γs为基本变量,根据布肯汉姆(Buckingham, E.)提出的π定理应有4个无量纲组合数,由量纲和谐原理,可分别求出水利论文L|0T4y$T)S'e

π1=γs/γ π2=h/D π3=d50/D π4=v2j/gD水利论文wjQJ+Q7P+i

水利论文D%x1q4u,T:lI O

f(γs/γ,h/D,d50/D,v2jc/gD)=0

,R&j%[%]oWWT#Y3z2^0
(1)

为了简化函数式,将一些项数按常见的准数型式进行组合。这里定义水利论文M5L,u2g]#xEA]

Y BR;FY"Dd0
(2)

为喷口临界射流冲淤弗汝德数。则上式可简化为

+JL g A/nm&xE0

f(Frc,h/D,d50/D)=0水利论文)Vc4~)d(WIC.n

(3)

(e(RaTy;s,YHA-V0

Frc=f(h/D,d50/D)水利论文~1@9d,X&~ Q;`~&LE

(4)

一般假定上述函数关系式(4)可表达为指数形式[3],则在静水环境、水平圆形射流的喷口临界射流弗汝德数经验公式为

Y$h&P x7t"y|+c0

Frc=K(h/D)a1(d50/D)a2水利论文XO;}P2Hqu8}M'M

(5)

式中 K是无量纲的比例常数,a1,a2为待定指数。水利论文8M%mf t+_$v.^Y

  为了便于根据试验数据进行回归分析,将上式转化为

1zK)t)L_+z%g c Ac0

ln(Frc)=K+a1ln(h/D)+a2ln(d50/D)

4J&wzs5Pf Z&p0
(6)

为典型的二元线性方程,将试验数据代入,使方程的残差平方和为最小,可求出回归方程(6)中的各常数。代入公式,可得[4,5]水利论文 b u'h.w_)xf H$qN

Frc=987.8(h/D)1.778(d50/D)0.816水利论文 [#tV-@+e2jk&_5|

(7)

复相关系数:R=0.97水利论文E-ec o EOq5i

  将经验公式(7)计算值与试验数据比较,如图2所示,可见,计算值与试验数据较为吻合。

)FCv9N;m|+e&w0

  经转换,可得出计算水平圆形射流对疏松淤沙冲刷的喷口临界射流流速经验公式水利论文n3NS^j B'@xL+w


:M[g0[ @0图2 Frc经验公式计算值与试验数据比较图
2ny(fQ9L}0Fig.2 Comparison between predicted Frcand experimental data

.He`'w4K2zb0


4YW`k%Z'Wy0图3 冲刷坑示意图
B KVH/vrLLNU|A(G0Fig.3 Schematic figure of scouring pit

RHN&MtD;yF,e0

#c_M P-zt%{1m0
(8)

3.2 冲刷坑尺寸经验公式推求

J]o*oa*O,L6@0

3.2.1 对冲刷坑尺寸进行量纲分析水利论文iw[#yW4G

  冲刷坑尺寸(长L、宽B、深t)(参见图3)主要与喷口直径D、喷口射流流速vj、泥沙和环境水体的重度γs和γ、淤沙厚度h、泥沙粒径d50、重力加速度g7个变量有关,加上冲刷坑尺寸(L、或B、或t)共计8个变量。与上述方法相同,进行量纲分析,可得静水环境、射流角度为0°时冲刷坑尺寸的经验公式形式为水利论文 n NI;D'c$Z m l

L/D(或B/D,或t/D)=KFra1(h/Da2(d50/D)a3

w%U9S*C'F*}V$\0
(9)

式中 K是无量纲的比例常数,a1,a2,a3为待定指数。其中水利论文#aV9I1TWJ3[ D

Ima水利论文`&S g?/m"MF ?f

(10)

定义为喷口射流冲淤弗汝德数。水利论文s pFb&t PT] |/d

  为了便于根据试验数据进行回归分析,将上式转化为

}#xl U#c@0

lnL/D(或B/D,或t/D)=K+a1ln(Fr)+a2ln(hD)+a3ln(d50/D)

2Wz/{-\i GdX0
(11)

为典型的三元线性方程。将试验数据代入,使方程的残差平方和为最小,可求出回归方程中的各常数。代入公式,得出静水环境、射流角度为0°的冲刷坑尺寸经验公式。

0| qVelrh0

3.2.2 冲刷坑尺寸经验公式

uw}IeJ0

3.2.2.1 喷口射流流速小于临界射流冲淤流速vj<vjc

OyCuw?E7b0

  当喷口射流流速小于临界射流冲淤流速时,冲刷坑尚处在流化阶段,流化坑的深度无法实测,这里仅推导流化冲刷坑的长度L。将试验数据代入三元线性方程(13),进行回归分析,可得出冲刷坑长度L的经验公式

I3} [{mb%B0

L/D=0.04187Fr0.533(hD)0.196(d50/D)-0.516水利论文M$p6r/~/xv

(12)

复相关系数 R=0.96

m]"nW{$Wz0
  将经验公式(12)计算值与试验数据比较,如图4所示,可见,计算值与试验数据较为吻合。

3.2.2.2 喷口射流流速大于临界射流冲淤流速vj>vjc水利论文n5|)b8NKx

  当喷口射流流速大于临界射流冲淤流速时,冲刷坑处于稳定、清晰的冲刷坑阶段。将试验数据代入线性方程(13),进行回归分析,可得出冲刷坑长度L、宽度B和深度t的经验公式冲刷坑长度经验公式为水利论文2c9I&}"`HQ:G*N2Nc#r

L/D=0.00109Fr0.989(h/D)-0.194((d50/D)-0.943

I-H u#ry"WW(} d0
(13)

复相关系数为 R=0.97

:e7h^:I-yH0

水利论文5W9t%t$DR @*t
图4 L经验公式计算值与试验数据比较图水利论文,Tcq(@;Mvt
Fig.4 Comparison between predicted L and experimental data

+h:Tf fpao0

  冲刷坑宽度经验公式为水利论文,h,Q2K3d]4m?(U

B/D=14.415Fr0.909(h/D)-0.219水利论文 n([gg9Sp?Dq xZ

(14)

复相关系数为 R=0.99

](GU)m'X0

  冲刷坑深度经验公式为

}f5Gr;u W0

t/D=4.718Fr0.634(h/D)0.093水利论文#PTCC!huc'R]

(15)

复相关系数为 R=0.98

8AF!L-r^0
  将经验公式(13)、(14)、(15)计算值与试验数据比较,计算值与试验数据较为吻合。水利论文 UY/Nw6S

  应用上述经验公式(8)、(12)、(13)分别计算喷口临界射流冲淤流速、射流流速小于临界射流冲淤流速时流化坑长度、射流流速大于临界射流冲淤流速时冲刷坑长度,与试验数据进行比较。采用了喷口直径为380mm、淤沙厚度为1.0m、泥沙中值粒径为0.008mm的数据,比较结果见图5,可见,计算值与模型试验值基本吻合。水利论文ceLNh!c[6M`

4 结论水利论文E;|w-}RQ\$i6H

  圆形射流对疏松淤沙的冲刷过程分为三个阶段:泥沙初始流化阶段、泥沙完全流化阶段和形成稳定、清晰的冲刷坑阶段。临界冲淤流速及冲刷坑的大小与淤沙厚度、射流流速、喷口直径等因素有关。

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AiB U$l;_}0图5 喷口射流流速与冲刷坑长度关系的计算值与实测值比较
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Fig.5 Comparison between predicted relationship of the length of scouringpit vs. jet velocity and experinental data

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  通过量纲分析和对试验数据进行回归分析,分别提出了在静水环境下圆形水平射流冲刷疏松淤沙的临界射流冲淤流速、冲刷坑尺寸计算的经验公式。公式计算值与模型试验数据吻合,可用于本工程,以确定排放口上升管喷口的高度,预测冲刷坑尺寸,并可供类似工程参考。水利论文Q7vmj`|

致谢:本文研究是在韦鹤平教授指导下于同济大学环境科学与工程学院完成水利论文,{ {9H)Do]$}0i:K

参考文献水利论文OF}"P k B)GX N |D P

[1]常瑞芳。海岸工程环境。青岛:青岛海洋大学出版社,1997.水利论文kE%y6Y0E:f9d9g [*ZE

[2]武汉水利电力学院编著。河流泥沙工程学(下). 水利电力出版社, 1983。

srG'F%O.?0

[3]许荫春,胡德保,薛朝阳。水力学。北京:科学出版社,1990.水利论文z!e5c2b:w_

[4]邓勃。分析测试数据的统计处理方法。北京:清华大学出版社,1995.

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[5]张小蒂。应用回归分析。杭州:浙江大学出版社,1991.LM水利论文iB k(};V&QyR]

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