紊动对泥沙悬浮的猝发性质探究

首先将简单的回顾一下紊动的猝发过程。在20世纪60年代，美国斯坦福大学的Kline（1967）等人发展起来的氢泡技术揭示了紊动的猝发性质，其典型特征表现为：在平面上具有顺流向的低速带和高速带相间的带状结构，示意如图6-1。

图6-1　壁面附近带状结构示意图

带状结构的间距约为100ν/u*，低速带出现的高度小于10ν/u*，低速带随时均流动向下游进行的同时，其头部会缓慢上举，增大与边壁的距离，当到达（10～30）ν/u*时，低速流体会突然向上层的高速流体喷射，同时又会有来自上方高速流体向下的俯冲，两股水流之间形成一个强大的剪切层而产生剧烈的紊动。俯冲的高速流体进入壁面区后，受流体的粘滞性作用而减速，形成新的低速带，又进入下一个低速带自床面的抬升和主流区高速带向床面扫荡的循环过程。其中Grass（1971）的试验结果具有较好的代表性。(www.xing528.com)

Sumer（1978）用特殊设计的方法试验研究了泥沙作悬浮运动的详细过程，得出了包括泥沙运动的轨迹，泥沙颗粒自床面的起扬和到达最高点后的下落过程以及泥沙的运动速度等资料。胡春宏和惠遇甲（1995）采用高速摄影技术系统地研究了单个颗粒的运动规律，得出了比Sumer的试验更详尽的资料。

根据上述的试验结果及紊动的猝发现象，泥沙的悬浮机理可概括为：当紊动猝发体以低速带的形式自床面附近上升时，也挟带了那里的泥沙。如果泥沙的沉速较大，则在上升过程中会很快脱离低速水团而落回床面，这样的泥沙就属于跃移质。如泥沙沉速较小，就会随着低速水团一起上升直到猝发体崩解而到达悬浮的最高点，然后开始下沉。在降落过程中，一部分颗粒为正在向床面运动的高速带所攫取，回到近壁流区；另一部分颗粒则落入正在上升的漩涡中而又向上抬升。水流的紊动越强，泥沙颗粒越细，则随紊动漩涡再次上升的颗粒占的权重越大。高速带在扫荡到床面时，转而向两侧散开，在两股高速带之间开始形成一股新的向上抬升的低速带。再一次开始新的行程，悬移质泥沙就是这样与床面附近的泥沙不断地交换而进入悬浮状态的。

但分析各种氢泡技术量测的结果表明，试验的水流强度都很低。例如Grass（1971）的试验，Re=6700，u*=0.88～1.22cm/s。当水流强度较大时，粘性底层极薄，紊动水流几乎充满全流区，例如u*=5cm/s时，带状结构的间距只有2mm，低速带出现的高度约为0.2 mm，其抬升的最大高度也只在0.66mm以内。这时紊动的产生机理是否还能用紊动的猝发过程来描述还有待进一步研究。对泥沙颗粒的悬浮机理，用猝发现象似也难以完善地描述。例如在天然河流中，常可见到直到水面才破碎的大漩涡，它当然也挟带了它起始运动时的泥沙而直达水面，所以应该说大尺度的紊动结构在使泥沙悬浮方面起了重要的作用。