全风化花岗岩突水通道扩展的颗粒起动流速研究

突水突泥是富水全强风化花岗岩隧道施工常见的地质灾害,地层颗粒的流失是导致突水通道扩展的关键因素,其中颗粒达到起动流速是其流失的临界条件。考虑水流冲刷和土体黏结作用,对突水通道断面颗粒进行三维受力分析,导出颗粒的临界起动条件,建立了考虑颗粒粒径、颗粒坡面位置、相对暴露度三因素的颗粒起动流速函数,并利用数值方法分析了上述三因素对起动流速的影响规律。计算分析表明:起动流速随粒径增大先减小后增大,通道断面不同坡面位置颗粒起动流速呈明显的对称性,总体上起动流速随相对暴露度的增大呈增大趋势。采用正交试验法研究了三因素对颗粒起动流速的敏感性,发现粒径对起动流速影响最为显著。同时根据断面颗粒起动最小流速标准及相对暴露度的随机性,简化颗粒坡面位置和相对暴露度两因素,导出颗粒起动流速的简化公式,最后利用室内试验和工程实例验证了该公式的合理性。     

浮标流速系数公式分析

目前分析浮标系数的半理论半经验公式: K_f=K_1(1+AK_v) (1) K_1=Q/Q_0 (2) 式中:K_f——断面浮标系数 K_1——断面平均水面流速系数 A——浮标阻力分布系数 K_v——断面平均空气阻力参数 Q——流速仪断面流量 Q_0——流速仪断面虚流量在测流河断内断面变化均匀,流速仪断面确能代表河段内各断面的平均的条件下是合理的。但是在天然河道内,特别是山溪性小河,难于     

泥沙影响流速分布规律的试验研究

挟沙水流中泥沙颗粒的存在将影响水流的紊动结构,并进一步影响水流流速分布。采用超声流速仪MicroADV测量挟沙水流的时均流速沿垂线分布,分析了在不同水力条件、不同泥沙条件(包括泥沙浓度及颗粒粒径)下泥沙与水流相互作用对流速沿垂线分布的影响,在此基础上,考虑到现有流速分布公式在实际河道水流流速沿垂线分布中的应用,提出新的指数型流速分布公式形式;并根据实验资料,初步检验了该公式的精度,同时分析了指数型流速公式中系数k和指数m随泥沙浓度s、粒径d以及水力条件的变化规律。结果表明:系数k随泥沙浓度的增加而增大,同时水力条件以及泥沙颗粒粒径同样也影响着k的变化;而指数m随粒径d的增大而减小,随泥沙浓度s的增加而增大。     

井喷关井水击分析及水击波速计算

油气井发生溢流或井喷后,立即关闭防喷器,关井期间防喷器需经受关井产生的水击压力作用。本文在对井喷关井水击的传播物理特征分析的基础上,推导直接关井水击压力计算公式,综合考虑井筒流体含气率、气液两相流型、固相类型等对水击波速的影响,推导水击波在气、液、固三相混合流体中传播速度计算公式,并通过算例对水击波速影响因素进行分析。计算表明水击波速对含气率变化非常敏感,钻井液含气率在0～0.001的时候,水击波速几乎是发生了突变,水击波速在含气率为0.001时仅为385 m/s,相比纯钻井液情况下降了67%,而钻井液固相含量、套管的内径和壁厚对水击波传播速度影响较小。     

颗粒级配对粗粒土强度与变形特性影响的研究

采用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土变形特性的颗粒流模型。通过粗粒土三轴试验,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了5种不同级配下粗粒土在3种不同围压下的变形特性。试验结果表明,曲率系数对粗颗粒土变形特性影响较大,当其有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低。以较大曲率系数与较大不均匀系数组合的粗粒土受力性能较好,但此种级配的粗粒土压缩性大。级配良好且不均匀系数较大,其应力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。     

悬移质颗粒运动的脉动强度

应用图象处理技术,量测了直径d=0.1～1.5mm的塑料颗粒和d=0.1～0.3mm的玻璃球颗粒在明槽恒定均匀水流中运动的脉动强度.试验发现:(1)靠近床面处,粗颗粒的脉动强度大于细颗粒的脉动强度,在靠近水面处,规律则相反;(2)细颗粒的脉动强度只是相对水深y/h的函数,而粒径较大颗粒的脉动强度和y/h及摩阻流速都有关;(3)重颗粒的脉动强度小于相同粒径的轻质颗粒的脉动强度.     

浓度梯度引起的固相速度测量误差

用粒子示踪技术测量明渠挟沙水流中固相颗粒的速度时,流速梯度和浓度梯度的存在会引起测量误差.选用典型的垂线流速与浓度分布公式对时均速度测量误差进行分析,得出了误差的解析表达式.对该解析式的理论分析表明,测量误差恒小于零,即速度测量值比实际值偏小.误差的大小与采样窗口的相对位置、尺寸及颗粒的悬浮指数有关.对误差大小随自变量...     

圆形断面管道非满流水动力特性

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响，应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术（FAVOR），针对圆管非满流建立三维数值模型，通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验，分析断面流速、壁面切应力和雷诺切应力分布规律等。研究结果表明：圆管非满流断面上不同垂线的流速分布具有较好的相似性，据此提出了垂线流速分布的抛物线公式；针对不同充满度条件提出了壁面切应力沿湿周分布的统一表达式；雷诺切应力沿垂线服从线性分布规律，充满度越大且距中垂线越远，沿垂线的变化梯度越小；当充满度大于0.5时，由于受二次流影响断面中垂线上雷诺切应力出现负值。     

圆形断面管道非满流水动力特性

为探究边壁双曲率对其水动力特性的影响，应用RNG k-ε紊流模型和部分面积体积障碍模拟技术（FAVOR），针对圆管非满流建立三维数值模型，通过物理模型试验结果验证该数值模型的可行性。针对底坡和充满度不同组合条件进行数值试验，分析断面流速、壁面切应力和雷诺切应力分布规律等。研究结果表明:圆管非满流断面上不同垂线的流速分布具有较好的相似性，据此提出了垂线流速分布的抛物线公式；针对不同充满度条件提出了壁面切应力沿湿周分布的统一表达式；雷诺切应力沿垂线服从线性分布规律，充满度越大且距中垂线越远，沿垂线的变化梯度越小；当充满度大于0.5时，由于受二次流影响断面中垂线上雷诺切应力出现负值。     

基于分形理论的赫巴流体在多孔介质中的渗流模型

泥浆是一种用途广泛的工程浆液，在工程施工过程中会渗流进入地层，给工程带来一定的影响。为深入研究泥浆的渗流机理，把地层模拟为多孔介质，泥浆模拟为能更全面地反映其流变性能的赫巴流体，基于分形理论，建立赫巴流体在多孔介质中的渗流模型。基于渗流模型计算结果，详细分析压力梯度、流性指数、稠度系数及孔隙率等参数对多孔介质中赫巴流体瞬时平均流速的影响，指出流速变化与压力梯度、流性指数及稠度系数的变化均呈幂指数关系，与孔隙率变化呈二项式关系，且流性指数是一个影响赫巴流体渗流速度的极敏感因素。渗流模型计算结果为相关工程中泥浆方案的设计与施工奠定了一定的理论基础。      

海域岛隧结合区水流结构和沉管沉放过程水流力试验研究

港珠澳跨海通道由东、西人工岛实现桥隧过渡,海中隧道采用沉管法,沉管段总长5 664 m,从西人工岛开始布置E1—E33管节,标准管节长180 m,宽37.95m,高11.4 m,重约8万t。岛隧结合区受到人工岛挑流和基槽开挖水深突变的影响,水流结构复杂,沉管沉放时也会引起水流变化。沉管安全沉放和精准对接安装需掌握受到的水流力大小。利用宽水槽几何比尺为100的正态模型,开展岛隧结合区水流分布和沉管沉放过程水流力试验研究。结果表明:岛头无掩护措施时,岛壁挑流影响到E1管节中部附近,表、底层流速大于中层;E1管节沉放过程中纵向水流力最大可达4 601 kN,E2管节纵向水流力平均5 149 kN;掩护E1管节后,E1管节处流速大幅减小,E2管节中部受掩护体挑流影响最大,流速最大增加40%,中层流速大于表、底层;E2管节纵向水流力平均5 240 kN。当沉管完全入水后,基槽内流速较小,沉放过程中受到的水流力逐渐减小。岛隧结合区水流垂线分布并不是指数分布,受到岛头壁挑流的影响沿管节长度方向流速分布也不均匀,管段浮运水流力公式并不适用计算沉管沉放过程受到水流力的大小。     

Experimental investigation of hydrate formation in water-dominated pipeline and its influential factors

Blockage in water-dominated flow pipelines due to hydrate reformation has been suggested as a potential safety issue during the hydrate production. In this work, flow velocity-dependent hydrate formation features are investigated in a fluid circulation system with a total length of 39 m. A 9-m section pipe is transparent consisted of two complete rectangular loops. By means of pressurization with gas-saturated water, the system can gradually reach the equilibrium conditions. The result shows that the hydrates are delayed to appear as floccules or thin films covering the methane bubbles. When the circulation velocity is below 750 rpm, hydrate is finally deposited as a “hydrate bed” at upmost of inner wall, narrowing the flow channel of the pipeline. Nevertheless, no plugging is observed during all the experimental runs. The five stages of hydrate deposition are proposed based on the experimental results. It is also revealed that a higher driving pressure is needed at a lower flow rate. The driving force of hydrate formation from gas and water obtained by melting hydrate is higher than that from fresh water with no previous hydrate history. The authors hope that this work will be beneficial for the flow assurance of the following oceanic field hydrate recovery trials.©2022 China Geology Editorial Office.     

Dominant particle support mechanisms in debris flows at Mt Thomas, New Zealand, and implications for flow mobility

Within zones of little or no deformation by internal shearing in debris flows at Mt Thomas, about two-thirds of the weight of large particles is supported by buoyancy and about one-third by static grain to-grain contact. In boundary shear zones of low velocity flows and in high velocity, turbulent debris flow, grain-to grain contact is replaced by turbulence and dispersive pressure. Cohesive strength of the clay + silt + water interstitial fluid provides less than 2 % of the force keeping particles larger than 1 cm gravel in suspension. Excess pore pressure is generated in the interstitial fluid by the weight of coarse particles suspended in the slurry. According to Coulomb strength theory, pore pressures measured in these debris-flow slurries reduce the shear strength of the material to less than 10 % of what it is in the unsaturated state. The excess pore pressures are slow to dissipate because of the small connections between pore spaces that result from the extremely poor sorting of the debris and the presence of silt and clay in the pore fluid. Maintenance of sufficient pore space to trap fluid and facilitate flow on low-gradient slopes may be accomplished by dilatancy and subsequent partial liquefaction of the debris during shear.     

满流条件下管道破损诱发渗流侵蚀的试验研究

针对富水砂层中地下管道破损诱发地面沉降的问题,设计了一套可视化试验装置,对骨架粒径d90 =1.45～8.45 mm的11种砂土样、5种满流流速下土体渗流侵蚀诱发地表沉降的规律进行了研究。研究表明：（1）管道破损诱发的土体渗流侵蚀有3种模式,分别为：只突水无沉降、形成土拱并发生沉降和溃砂沉降;（2）土体骨架粒径、破损口尺寸、厚跨比是决定土体产生何种渗流侵蚀模式的主要因素,满流流速主要影响土体沉降范围;（3）管道破损口上方土体形成土拱或溃砂时,土体骨架粒径d90与厚跨比r的关系为：当8.0≥r≥4.2时,d90随r的增大呈抛物线下降;当12.5≥r≥8.0时,d90保持不变;（4）管道破损口上方土体形成土拱或溃砂时,流速为0的初始沉降半径、沉降深度由破损口直径D与土体平均粒径d50的比值（D/d50）决定;沉降半径、沉降深度均随满流流速的增大而线性增大;形成土拱时,沉降半径、沉降深度随流速增大的扩展速度（VL、VH）与D/d50呈对数关系;溃砂时,沉降半径随流速增大的扩展速度VL规律如下：当23.0≥D/d50≥6.0时,VL随D/d50的增加而线性增大,当42.0≥D/d50≥23.0时,VL随D/d50的增大呈对数减小。     

基于EDEM的碎屑流运动规律及冲击性能研究

泥石流运动规律及其冲击性能对于泥石流灾害的影响范围及严重程度具有重要决定意义。出于泥石流这类多相介质的复杂性,本文采用离散元仿真软件EDEM 2018对碎屑流冲击流槽试验进行了数值模拟研究,考虑流槽坡度、底部拦挡结构角度以及颗粒级配的影响,在已有研究成果的基础上对固体颗粒运动过程及冲击性能展开了系统研究。本文将数值模拟结果与现存试验数据进行了对比分析,验证了数值模拟方法的可靠性,在此基础上得出了以下结论:(1)在拦挡结构角度与颗粒级配相同的情况下,流槽坡度越大,对应的碎屑流运动速度与冲击力的峰值也越大;(2)在流槽坡度与级配相同的情况下,拦挡结构越陡,与其相互作用的固体颗粒数量越多,碎屑流越快达到速度和冲击力峰值,且对应的速度与冲击力峰值也越大;(3)在运动过程中,各颗粒级配的碎屑流均出现反序现象,且细颗粒含量的提升可提高碎屑流运动速度,但同时冲击力降低,而粗颗粒含量的提升可增大碎屑流对拦挡结构的冲击力,对于运动速度的影响较小。     

A numerical study of particle motion and two‐phase interaction in aeolian sand transport using a coupled large eddy simulation – discrete element method

Wind‐blown sand movement, considered as a particle‐laden two‐phase flow, was simulated by a new numerical code developed in the present study. The discrete element method was employed to model the contact force between sand particles. Large eddy simulation was used to solve the turbulent atmospheric boundary layer. Motions of sand particles were traced in the Lagrangian frame. Within the near‐surface region of the atmospheric boundary layer, interparticle collisions will significantly alter the velocity of sand. The sand phase is quite dense in this region, and its feedback force on fluid motion cannot be ignored. By considering the interparticle collision and two‐phase interaction, four‐way coupling was achieved in the numerical code. Profiles of sand velocity from the simulations were in good agreement with experimental measurements. The mass flux shows an exponential decay and is comparable to reported experimental and field measurements. The turbulence intensities and shear stress of sand particles were estimated from particle root‐mean‐square velocities. Distributions of slip velocity and feedback force were analysed to reveal the interactions between sand particles and the continuous fluid phase.     

隧道突涌水机制与渗透破坏灾变过程模拟研究

针对岩体渐进破坏和充填体渗透失稳两种典型突涌水灾害,阐述了动力扰动、开挖卸荷与高水压三者联合作用下岩体渐进破裂机制,以及高渗透压作用下充填体“变强度-变渗透性-变黏度”的渗透破坏机制。针对渗透破坏突涌水的变黏度机制,采用DEM-CFD耦合计算方法,开展了流体黏度对渗透破坏机制影响的定性模拟研究,分析了流体黏度对平均接触力、流量（流速）、孔隙率、颗粒运移过程、运移轨迹以及临界水力梯度的影响规律。结果表明,低黏度条件下的临界水力梯度比高黏度条件下的要小,换言之,低黏度条件下充填体更容易发生渗透破坏;平均接触力对水力梯度临界值的响应最为敏感,而流量难以准确反映该信息。从渗透破坏突涌水的变黏度机制这单一角度出发（不考虑渗透性增大的影响）,随着黏性介质流入水体,流体黏度会增大,但流动速度会降低,两者共同作用下反而阻碍了渗透破坏过程的发展。最后,采用DEM-CFD计算方法,对工程尺度突涌水过程进行了模拟,再现了突涌水优势通道的形成与扩展过程,并指出了实现突涌水灾变机制模拟所需解决的参数选取与定量分析难题。     

Settling velocities of particulate systems 15: Velocities in turbulent Newtonian flows

The success in previous papers of this series in obtaining closed form solutions to the sedimentation of individual particles and to the suspensions of particles in fluids motivated the application of the same procedure to the turbulent flow of Newtonian fluids in conduits.The purpose of this paper is to present explicit equations for the Fanning friction factor and of the average velocity of a Newtonian fluid in a cylindrical tube, for any value of the Reynolds number and dimensionless roughness.Previously published equations for the friction coefficient are either implicit or explicit in the friction coefficient but dependent on the Reynolds number. Since the Reynolds number depends on the pipe diameter and fluid velocity, in both cases iterative method must be used to calculate the flowrate.By defining a dimensionless pipe diameter and a dimensionless average fluid velocity, and using conduit-flow material properties to define characteristic size and velocity parameters, explicit equations were obtained for the friction coefficient and for the average flow velocity valid for different roughness and flow regimes.     

滑源区粒序分布及颗粒粒径对碎屑流冲击作用的影响研究

滑体的运动速度、堆积形态、冲击力等因素决定了碎屑流的致灾程度。滑源区不同岩性特征和结构分布的差异导致了滑体粒序分布和颗粒粒径的差异。在运动过程中产生的碰撞、摩擦、跳跃,影响着滑坡碎屑流的致灾程度。在物理模型试验的基础上,运用三维离散元软件PFC3D,探究滑源区粒序分布及颗粒粒径对滑体运动速度、堆积形态、冲击力的影响。研究结果表明:碎屑流中各粒径颗粒的平均速度受颗粒粒径及滑源区初始粒序的共同影响,且初始粒序对各颗粒平均速度影响更大;在堆积形态方面,粒径大小对厚度方向上的粒序排布影响较大,而滑源区粒序分布对单种颗粒的堆积形态影响较大;在颗粒分选作用下,颗粒粒径成为控制峰值冲击力的主要因素,而滑源区粒序分布则通过决定滑体堆积形态控制了准静态堆积阶段碎屑流的冲击力。     

堰槽组合设施测流机制试验研究

山区季节性溪流流量变化大,已有灌溉渠道量水设施难以在较大流量范围内均达到测流精度要求,本文以克伦普堰和排淤量水槽组合而成的堰槽组合量水设施为试验对象,通过试验探究其测流机制。根据流量在5~79 L/s范围内的概化水槽水力性能试验,分析不同流量下的水面线、弗劳德数、垂线纵向时均流速、薄水层特征长度和特征宽度的变化,建立不同流量阈值范围内的测流公式。结果表明:①随流量的增大,堰槽组合设施流动形态从槽内流变为堰流,流量阈值对应的阈值相对水深为0.885,拟合得到组合设施槽内流和堰流的测流公式,与实测流量对比,相对误差小于3%。②组合设施槽内流和堰流水力特性不同,槽内流时槽内各测点纵向时均流速、薄水层的特征长度和特征宽度以及综合流量系数均随着流量增大而增大;堰流时,排淤量水槽槽内前段各测点纵向时均流速随着流量增大而减小,后段各测点纵向时均流速随着流量增大而增大,槽内收缩扭面段中部附近断面平均流速大小一致。③堰槽组合流量系数随着流量增大而减小。④堰槽设施下游薄水层的特征长度和特征宽度随着流量增大有下降趋势,最大值均出现在流量阈值情况下。本研究有效解决了流量变幅较大的明渠测流设施匮乏问题,可为山区季节性溪流测流设施应用提供参考。