不同含沙量细粒沉积物浑水体流变特性研究

强烈波浪作用在河口海岸区域引发海底沉积物的剧烈扰动,所形成的近底高浓度浑水体可汇集成海底浊流,在污染物和含碳物质自近海向远海输运方面起着重要作用,是陆海相互作用的重要驱动力。而近底高浓度含沙层因含沙量及其中组分的不同,其流动性亦不同。针对海底可能存在的高浓度含沙层,采用流变试验,通过剪切速率-剪切应力间的流变关系对不同含沙量下的粉土浑水体进行流变特性分析,并结合前人所做的不同粉粒黏粒比例、不同含量的浑水体流变测试结果,将粉土浑水体在100～1 350kg/m³含沙量范围内划分为牛顿流体、过渡流体和宾汉流体三种流体类型,给出了以粉粒与黏粒组分为主的含沙浑水体的流变性质变化界限图,为近底高浓度含沙层运动研究提供流体性质分类参照。     

含沙浑水体的黏度测量及应用分析

含沙浑水体的高速冲击会对海底构筑物造成破坏,在计算浑水体对构筑物的作用力时,黏度是一项重要参数。本文利用落球试验和流变仪测试试验,测定了不同浓度含沙浑水体的黏度,给出其起始黏度与动力作用后的稳定黏度。结果表明:含沙量在大于400g/L时,浑水体为可用赫巴模型描述的非牛顿流体,并可简化为宾汉体;在含沙量小于400g/L时,浑水体仍可用宾汉体模型描述,在忽略较小的初始剪切应力时,可简化为牛顿流体。浓度大于400g/L的浑水体的起始黏度约为稳定黏度的100倍。文中讨论了含沙浑水体起始黏度与稳定黏度在工程计算应用中的适用情况。     

海底滑坡对海洋单桩冲击力试验研究

为了研究海底滑坡对海洋单桩的冲击力大小,首先通过调整高岭土、粉砂的不同含量,得到不同流变特性、不同密度的碎屑流,采用Herschel-Bulkley模型和幂率模型对流体流变性质进行描述;随后利用自制海底滑坡模型槽,模拟碎屑流在不同流速和黏度下对模型桩的冲击;并结合流体力学理论,建立阻力系数与非牛顿流体雷诺数之间关系表达式。试验数据表明:碎屑流黏度和流速是影响海底滑坡冲击力的主要因素,海底滑坡冲击力随着泥浆黏度和流速的增加而增大。同时,考虑碎屑流剪切稀释特性,得到管桩阻力系数随雷诺数变化的拟合公式,为海洋桩基础设计提供参考。     

气泡帷幕拦浑效率试验研究

为评估气幕帘拦浑效果,开展气泡羽流、浑水异重流以及与气幕拦污室内试验。试验水深一定时,测量并分析气幕羽流产生的流场;研究气幕对浑水输运方式的影响;分析不同供气量对浑水拦截效率的影响。通过控制变量法研究,结果表明:气泡羽流速度与供气量有关,供气量小于60 L/min时,气幕所形成环流水平范围约为6倍水深;气幕会使泥沙细颗粒在向上羽流作用下来到表层,并在下游侧环流的作用下,沿水深均匀分布。气幕的拦浑效果不仅与供气量有关,也与泥沙颗粒有关,当气泡羽流速度与泥沙颗粒沉速之比足够大,气幕便具备良好拦截效果;若供气量增加至一定量,更多泥沙颗粒会通过紊动扩散的方式穿过气幕。本文对气幕拦污进行的实验研究与分析弥补了该项研究在实验方面的不足,可为气幕拦污工程应用提供支持与指导。     

九龙江河口湾高浓度悬沙水体的分布与扩散特征

通过对九龙江河口湾洪水期和枯水期含沙量等值线的分析,描述了河口湾内悬浮泥沙的时空分布特征及其在涨潮和落潮期间的变化情况,并对洪水期大潮湾内水质点的滞流点位置作了计算.结果表明,水流运动和水体含沙量沿入海方向均呈现有规律的变化,河口湾内存在两个主要水流滞流区,一处位于海门岛北部,一处位于鸡屿东侧.悬浮泥沙的分布和水流运动间呈现明显的相关性.     

长波和水流作用下浮泥流动机理研究

基于宾汉模型,并运用量级分析方法建立了长波、水流作用下浮泥运动简化方程。简化后的浮泥运动方程是一个非线性的常微分方程。运用解析与数值混合的方法进行求解,计算量很小。讨论了水流对泥面的剪应力、波幅、波长、浮泥层厚度以及浮泥密度等多组参数对浮泥输运速度的影响。研究表明,存在波浪的情况下,即使水流对泥面的剪应力远小于浮泥屈服应力浮泥也能出现定向的输运。     

射阳港拦门沙航道整治工程建设前后水沙特征分析

为研究工程区海域水沙特征的时空分布、运动规律,采用不同时期的现场水文泥沙资料,对射阳港拦门沙航道工程建设前后的水流、含沙量、悬沙粒径和底质特征进行了对比分析。研究表明:射阳港一期航道工程建设后航道内潮波发生变形,涨潮流速大、历时短;落潮流速小、历时长,进入到航道内泥沙很难被带出航道,容易导致航道淤积。工程区海域整体含沙量较大,一期工程建设后导堤内涨潮含沙量明显增大,口门净输沙向口内,通过口门进入到航道的高含沙水体是航道淤积的重要沙源之一。导堤间边滩表层存在部分淤泥,且具有一定流动性,在水流及自身重力作用下,边滩淤泥可归入航道内。     

潮间带小海湾围堤对湾外水下岸坡的影响

分析了杭州湾北岸一个潮间带小海湾－炮台湾及其前沿海域的流场、含沙量分布及水下地形的变化，指出小海湾内水流主要受湾外浅水水流控制，在独特的边界地影响下，湾内在不同时段内出现历时较短的水平环流，流场变化较快，小水深时水体含沙量较高，含沙量随水深和水流和变化而急剧变化。对湾外浅水水域水流的挟沙力了计算，并讨论了炮台湾围堤后水流挟沙力的变化，给出围堤后水下岸坡剖面变动的预测，经与实测比较，结果是令人满意的     

厦门西港航道潮流和悬沙回淤实验研究

通过潮汐水流试验和定床浑水悬沙回淤试验，探求厦门西港嵩（屿）－鼓（鼓浪屿）水道及猴屿以南浅段航道水流动力特点及泥沙回淤机制，研究各种工程方案对航道及港区沙回淤规律的影响，预测港区航道今后泥沙回淤趋势。     

赤道东太平洋弯曲急流区质点轨迹及混沌运动机制

利用运动学模型 ,研究了弯曲急流控制参数为定常和发生周期扰动时的流体质点运动轨迹以及混沌现象的产生机制。发现弯曲急流控制参数为定常时 ,流体质点的运动为规则的周期运动 ;而控制参数发生扰动时 ,可以发生流体质点在不同特征区的穿行 ,流体质点的运动具有混沌特性。弯曲急流的相速、振幅发生周期扰动均可使流体质点的运动出现混沌特性。作者从运动学上对弯曲急流区的漂流浮标混沌特性给出了解释。     

厦门港潮汐水流及浑水悬沙整体模型设计

厦门港潮汐水流及浑水悬沙整体物理模型于1989年建成后，已进行了不少有意义的试验研究工作，取得较好效果。本文主要介绍模型的设计思想、相似准则、浑水悬沙相似理论的探讨、模型设计方法以及模型沙的选择等。     

海流作用下海底管道溢油扩散实验研究

采用物理模型试验研究了海流作用下海底输油管道溢油扩散特性。水槽中的原油从管道的泄漏点溢出,并从海底扩散到海面。采用非接触式光学测量技术,设计了图像采集与数据分析系统,研究原油泄漏机理和特性。通过该系统获得了溢油的轨迹、速度和海面上升时间。从定性和定量两个角度分析了水流和溢油量对溢油行为的影响。之后给出了特征物理量对各种因素的敏感性研究。溢油在水下主要以不同粒径的散状颗粒的形式分布。原油的上升过程可分为三个阶段：饱满、分散和聚集阶段。溢油量是影响油粒子上升时间的主要因素。在油粒子的上升过程中,原油的垂直速度主要受溢油量的影响,横向速度则更依赖于水流速度。不同水流与溢油量下,横向溢油速度的偏差远大于海面上升时间和垂直溢油速度的偏差。该研究可为溢油应急预测系统提供理论参考。     

厦门港湖汐水流及浑水悬沙整体模型设计

厦门港湖汐水流及浑水悬沙整体物理模型于1989年建成后，已进行了不少有意义的试验研究工作，取得较好效果。本文主要介绍模型的设计思想、相似准则、浑水悬沙相似理论的探讨、模型设计方法以及模型沙的选择等。     

舟山LNG取水流道泥沙淤积试验研究

液化天然气(LNG)接收站取水流道内水流形态十分复杂,泥沙淤积问题往往难以避免,特别是在含沙量较高水域,流道内回淤泥沙可能威胁接收站的正常运营。结合现场实测资料,建立取水泵站流道内泥沙物理模型试验,模拟了位于含沙量较高海域的舟山LNG取水流道内泥沙淤积强度及其分布特征。研究结果表明,取水泵站内主要淤积部位发生在前池、过滤池末端、吸水间进口和中部以及应急消防泵附近。在LNG运营和停机期间,消防泵和位于吸水间的海水泵均有埋淤风险。结合试验结果和周边已运营LNG取水泵站泥沙淤积及清淤情况,建议在关注区设立射流冲刷装置,可减少人工清淤频次,提高取水安全保证率,从而增加运营效益。     

广利港海域悬沙分布及黄河口泥沙扩散对其影响

基于遥感影像资料和实测水文泥沙资料,对广利河口海域悬沙分布特征和黄河口入海泥沙扩散进行了分析研究.结果得出,在一般天气情况下,广利港海域工程海域含沙量比较低(＜0.1 kg/m3),黄河口泥沙向南直接扩散距离为10～20 km,对工程区无直接影响,但是在大风天气下,广利河口附近海域含沙量会增高至0.5 kg/m3以上,黄河口入海泥沙扩散向南可达30～40 km,最远可达小清河口,对工程区则有一定的影响;从广利港海域含沙量、底质特征、冲淤性质上来看,黄河口泥沙扩散对工程区是有限的,造成航道和港池淤积的主要泥沙来源为风浪和潮流作用下就地泥沙的搬运输移;黄河入海泥沙呈减小趋势,黄河改由“清8断面”入海,黄河入海泥沙浑水主轴线与广利港的距离增加,对工程区的影响趋于减小.     

西洋东大港水道流速垂线分布研究

对辐射沙洲海域东大港4#站位连续2个潮周期的流速测量资料进行了分析、研究,拟合给出了流速垂线分布关系,并根据实际测量资料确定了该站位6个水层的浑水水流尾流函数项表达式。这些表达式表明浑水水流尾流函数是相对深度和摩阻速度的函数。探讨分析了尾流函数的空间分布和潮周期过程。非恒定流的水流尾流函数项的准确表达,对于揭示含沙水流流速结构及水、沙相影响作用规律将起到启发和推动作用。     

长江口悬沙沉速室内试验研究

在充分认识传统沉降筒缺陷的基础上提出了"大型可温控自动搅拌沉降试验筒"。通过室内系列试验发现:(1)含沙量对长江口细颗粒沉降速度影响最大;(2)温度上升,沉速增加,但不同阶段影响程度有所不同;(3)含沙量越高,盐度对沉速的影响越小,含沙量相同情况下,长江口北槽悬沙枯季水温下盐度对沉速的影响在1.8~5.7倍左右;洪季水温下盐度对沉速的影响在1.5~2.2倍左右。(4)枯季最佳絮凝盐度在7左右,最佳絮凝含沙量为7 kg/m3;洪季最佳絮凝盐度在10~12左右,最佳絮凝含沙量为4.5kg/m3。本研究成果可望加深我们对细颗粒泥沙动力过程相关机理的认识,同时可为相关港口、航道的淤积机理分析,数学模型、物理模型研究工作提供一定技术参考。     

深海采矿扬矿泵导叶区域粗颗粒通过特性试验研究

在深海采矿系统中,海底矿石必须经过扬矿泵才能提升到海面船上,但矿石粒径较粗,容易在泵体中形成堵塞,尤其是在扬矿泵导叶区域,因此,研究粗粒在导叶中的运动特性对于保障系统安全工作具有重要意义。针对深海矿物粒径较大的特点,设计并制作了具有宽流道的扬矿泵流道模型,安装于管道输送试验系统。利用高速摄像机对扬矿泵导叶内粗颗粒运动特性进行了记录,并对其运动轨迹、碰撞情况以及颗粒速度等信息进行了分析。结果表明:颗粒在通过导叶区域时,运动轨迹与水流流向基本一致;颗粒与导叶发生碰撞位置主要集中于导叶背面入口处、导叶压力面中部和导叶背面出口处;颗粒粒径越小,跟随性越好,碰撞次数越少。试验结果可为扬矿电泵设计提供参考。     

颗粒体积分数对深海采矿提升泵工作性能影响分析

为研究颗粒体积分数对深海采矿提升泵工作性能影响,采用RNGκ-ε湍流模型与Hinze-Tchen颗粒湍流粘性系数模型,对提升泵内固液两相流进行数值模拟,比较不同的颗粒体积分数对提升泵内压力、颗粒浓度分布的影响,进而分析颗粒体积分数对扬程、效率等工作性能的影响,为提升泵的优化设计提供理论依据。研究结果表明:随着颗粒体积分数的增加,泵内浆体总压逐渐下降,扬程随之减小,叶片与导叶表面上平均颗粒浓度均有一定幅度的上升,颗粒与叶片、导叶表面之间以及颗粒间的碰撞几率增大,流体运动趋向更加复杂,流动更加絮乱,因而加大水力损失,降低泵的效率。实验表明数值模拟与实验结果基本吻合,证实了数值模拟方法的可行性及准确性。     

上海洋山深水港区海域悬沙分布特征及运动规律分析

以1998年以来定点实测含沙量资料为基础,结合1996-2007年不同时刻卫星遥感影像资料对洋山港附近海域悬沙分布特征及运动规律进行分析,结果表明:洋山港海域含沙量存在着明显的季节变化;潮差越大,水体紊动越强,水体含沙量越高;洋山港水域含沙量明显高于其周围的水域,特别是在大小洋山岛链之间,呈现由北向南、由东向西逐渐增大的趋势;"峡岛效应"也是引起高含沙量一个重要原因;长江入海泥沙直接扩散对洋山港水体含沙量的影响较小,研究区域水体含沙量的大小主要取决于波况及潮流对当地浅滩的掀扬及输送.