發(fā)布時間：2018-01-26 05:47

  本文關鍵詞： 河口黏性泥沙 冪律流模型 流變特性 臨界起動 質(zhì)量輸移速度　出處：《天津大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：河口海岸黏性泥沙的流變特性、運動特性及其與波浪之間的相互作用對于預測和解決岸灘沖刷、淤積以及岸線變形起重要作用,因而具有重要的研究價值和廣泛的應用價值。本論文將天津大港黏性粉沙質(zhì)淤泥作為研究對象,通過試驗和理論研究,系統(tǒng)的探索黏性泥沙的流變特性和運動規(guī)律。此外,本論文就波浪與底泥之間的相互作用建立兩層數(shù)學模型,對冪律流底泥的質(zhì)量輸移速度進行了理論研究。為了解黏性泥沙的流變特性,對不同密度的泥樣進行靜態(tài)流變試驗。根據(jù)試驗結果,討論不同密度黏性泥流的剪切應力隨剪切率的變化關系;分別采用冪律流模型和Bingham塑性體模型對流變曲線進行擬合,得到不同密度黏性泥流對應的流變參數(shù),繼而分析流變參數(shù)與密度之間的關系。此外,為了解細顆粒泥沙的絮凝特性,對四組不同濃度的泥漿進行靜水沉降試驗,觀察黏性泥沙沉降過程,并討論黏性泥沙濃度對靜水沉降速度的影響。為了了解波浪作用下黏性泥沙的起動規(guī)律,配置不同密度黏性泥流,進行表面波浪作用下的黏性泥沙起動試驗。記錄黏性泥沙起動時的臨界波高,繼而計算不同密度黏性泥沙的臨界起動速度和臨界起動切應力;分別分析黏性泥沙的臨界起動速度和臨界起動切應力與黏性泥沙密度之間的關系,并擬合它們之間的關系式,結果證明波浪作用下黏性泥沙的起動規(guī)律符合延伸希爾茲曲線。結合流變試驗結果,建立臨界起動切應力與賓漢屈服應力之間的關系。此外,將起動試驗得到的臨界起動切應力與文獻中的結果進行對比驗證,發(fā)現(xiàn)結果基本一致。為了研究波浪作用下底泥的質(zhì)量輸移速度,本文基于Euler坐標系統(tǒng),建立波浪與底泥相互作用的兩層理論模型:假設上層為水體,下層底泥由冪律流模型描述;波浪運動由作用在自由水表面上的周期性壓力荷載驅動。基于淺水波和小變形假設,采用一種攝動分析法將問題展開到二階,以便得到平均Euler速度。對于得到的一階和二階問題,分別通過數(shù)值迭代法和改進的五對角追趕法進行求解。根據(jù)數(shù)值計算結果,分析下層冪律流流動指數(shù)對二維流場、界面波高以及底泥質(zhì)量輸移速度的影響。此外,當自由水表面周期性壓力發(fā)生改變時,分析二維流場、界面波高和底泥質(zhì)量輸移速度的變化。
[Abstract]:The rheological characteristics, motion characteristics and wave interaction of viscous sediment in estuaries and coasts play an important role in predicting and solving shoreline erosion, siltation and shoreline deformation. Therefore, it has important research value and extensive application value. In this paper, the viscous silt of Tianjin Dagang is taken as the research object, through the experiment and theoretical research. The rheological characteristics and motion law of viscous sediment are systematically explored. In addition, a two-layer mathematical model for the interaction between waves and sediment is established in this paper. The mass transport velocity of power-law flow sediment is studied theoretically. In order to understand the rheological characteristics of viscous sediment, the static rheological tests of mud samples with different densities are carried out. The relationship between shear stress and shear rate of viscous mudflow with different density is discussed. The power law flow model and the Bingham plastic body model were used to fit the rheological curve, and the rheological parameters corresponding to the viscous mudflow with different densities were obtained, and the relationship between the rheological parameters and the density was analyzed. In order to understand the flocculation characteristics of fine sediment, four groups of mud with different concentrations were tested by static water sedimentation to observe the sedimentation process of viscous sediment. The influence of viscous sediment concentration on the settling velocity of hydrostatic water is discussed. In order to understand the starting rule of viscous sediment under wave action, different density viscous mud flows are arranged. The critical wave height of viscous sediment was recorded, and the critical starting velocity and shear stress of viscous sediment with different density were calculated. The relationship between critical incipient velocity and critical shear stress of viscous sediment and the density of viscous sediment is analyzed, and the relationship between them is fitted. The results show that the starting law of viscous sediment under wave action accords with the extended Shields curve, and the relationship between critical shear stress and Bingham yield stress is established in combination with the rheological test results. In order to study the mass transport velocity of sediment under wave action, the critical starting shear stress obtained from the starting test is compared with the results obtained in the literature, and it is found that the results are basically the same. Based on the Euler coordinate system, a two-layer theoretical model for the interaction between waves and sediment is established: the upper layer is assumed to be a water body, and the bottom sediment is described by a power-law flow model; The wave motion is driven by the periodic pressure load acting on the surface of free water. Based on the assumption of shallow water wave and small deformation, a perturbation analysis method is used to expand the problem to the second order. In order to get the average Euler velocity, the first and second order problems are solved by numerical iteration method and the improved five-diagonal chasing method, respectively. The influence of the lower power law flow index on the two-dimensional flow field, interfacial wave height and sediment mass transport velocity is analyzed. In addition, when the periodic pressure on the free water surface changes, the two-dimensional flow field is analyzed. The variation of interfacial wave height and sediment mass transport velocity.
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TV148

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本文編號：1464846