开阔河道中双峰型床沙沉积物的临界平均粒径和临界剪切速度

《Powder Technology》：Critical average and critical shear velocity of bimodal bed-load sediments in open channel

临界平均和临界剪切速度对双峰沉积物初始运动的影响及新预测方法研究。通过实验室实验分析不同比例粗细颗粒混合物的临界条件，发现中值粒径不适用，提出基于尺寸比和体积比例的四区地图分类新方法，有效预测随机双峰沉积物的临界剪切速度，与实验数据吻合良好。

　　

埃夫根尼·拉比诺维奇|托马斯·皮塞克|瓦茨拉夫·马图谢克

内盖夫核研究中心（NRCN），邮政信箱9001，贝尔谢巴84190，以色列

摘要

本研究展示了在开放渠道中，对均匀和主要为双模态床沙沉积物中颗粒初始运动的临界平均（拾起）速度和临界剪切速度的实验研究结果。通常用于广泛级配沉积物的模型依赖于一些假设，这些假设对于由两种大小差异较大的几乎均匀沉积物组成的双模态沉积物来说并不适用。实验室实验使用了不同轻质沉积物组分来制备具有不同比例的均匀粗粒和细粒的双模态床沙混合物。结果表明，中值粒径不适合预测此类混合物的初始运动。相反，初始运动取决于混合物中各组分的比例和体积占比。基于这些发现，提出了一种新的方法来预测纯双模态沉积物的初始运动。该方法采用四区图根据粗粒和细粒组分的相对比例对混合物进行分类，适用于预测随机双模态粒径混合物的临界剪切速度。使用新方法得到的预测结果与本研究中收集的实验数据吻合良好。

引言

希尔兹[1]首次根据床面剪切应力描述了床沙颗粒初始运动的阈值。即使在今天，希尔兹图仍然是估算非粘性沉积物在水力输送和开放渠道流动系统中的临界（初始运动）条件最常用的方法[[2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。相比之下，大多数关于气动输送[[18], [19], [20], [21], [22], [23]]的研究以及一些关于开放渠道流动的研究[[24], [25], [26]]则根据临界平均（拾起）速度来定义阈值条件，该速度指的是表面（平均）流体速度。

在液压系统和开放渠道中广泛使用临界剪切速度是合理的，因为它代表了颗粒周围的实际速度分布。这意味着即使流动剖面和平均速度可能有所不同，同一颗粒应表现出相同的临界剪切速度（或剪切应力）。然而，从工程角度来看，表面（或平均）速度通常更适用于设计目的。因此，在许多工程应用中广泛使用了以表面流体速度表示的临界平均速度的相关性。

在许多两相流动传输过程中——特别是河流中的自然沉积物运动——固体由粒径分布广泛的颗粒组成，而不是均匀材料。一个常见的例子是由砾石和沙子组成的河沙。尽管已经投入了大量努力来预测具有不同级配的沉积物的初始运动阈值条件[3,4,6,7,9]，但对于纯双模态沉积物（即由两种几乎均匀的不同大小组分组成的沉积物）这一特殊情况，可用的信息非常少。对于这类沉积物，仍有几个基本问题需要讨论：

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描述双模态沉积物混合物的临界剪切速度（或临界平均速度）最合适的参数是什么？

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在什么条件下可以将双模态沉积物混合物视为均匀沉积物进行分析？

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预测双模态沉积物混合物的临界剪切速度（或临界平均速度）最准确和有效的方法是什么？

本研究的主要目标是开发一种准确有效的方法，用于预测由两种均匀床沙组分组成的纯双模态混合物的临界剪切速度（或临界平均速度）。

部分摘录

沉积物颗粒的临界平均速度和临界剪切速度

沉积物颗粒的临界平均速度和临界剪切速度一直是近一个世纪以来研究的重点。在本文中，我们仅总结了一些我们认为能代表许多其他研究的理论和实验研究。以下部分的组织结构如下：首先描述了测量沉积物颗粒临界平均速度（或临界剪切速度）最常用的实验方法；接下来是关于流体的...

实验装置和程序

实验在布拉格捷克技术大学的水利工程实验室进行。图1提供了本研究中使用的实验装置的示意图。该装置的主要组成部分是一个透明的有机玻璃水平水槽，宽度为$80$毫米，高度为$250$毫米，长度为$1.4$米。两个并联安装的潜水泵提供高达$4.5$升/秒（$16.2$米/小时的水流。水槽中的水流速率和水深可以通过...

均匀沉积物颗粒的临界平均速度和临界剪切速度

对文献中各种现有的临界平均速度和临界剪切速度相关性以及本研究的实验结果进行了兼容性评估。图3将六个临界平均速度相关性与实验数据进行了比较。当分散度控制在±15%范围内时，所有测试的临界平均速度相关性都与测量结果相当吻合。

因为三种测试材料中有两种几乎是...

结论

提出了一种新的方法，用于预测开放渠道中纯双模态床沙沉积物中颗粒初始运动的临界剪切速度。该方法的使用通过实验室水槽中使用的轻质沉积物的新实验结果得到了验证。测试了三种密度相似但尺寸明显不同的材料，分别单独测试（均匀沉积物）以及以不同组合形式测试（双模态沉积物混合物）。

对于均匀...

CRediT作者贡献声明

埃夫根尼·拉比诺维奇：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析、概念化。托马斯·皮塞克：撰写——审阅与编辑、资源获取、研究。瓦茨拉夫·马图谢克：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了捷克科学基金会（项目编号：23-07772S）的支持。作者们想要感谢才华横溢的土木工程师阿纳托利·拉比诺维奇提出的有益建议和建设性批评。