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1、不同因素對(duì)粘性泥沙絮凝特性的影響研究EffectsofVariousFactorsontheCharacteristicsofCohesiveSedimentFlocculation一級(jí)學(xué)科:水利工程學(xué)科專(zhuān)業(yè):港口、海岸及近海工程研究生:?jiǎn)坦馊笇?dǎo)教師:張慶河教授張金鳳副教授天津大學(xué)建筑工程學(xué)院二零一三年六月獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外,論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果,也不包含為獲得天津大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研
2、究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名:簽字日期:年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明)學(xué)位論文作者簽名:導(dǎo)師簽名:簽字日期:年月日簽字日期:年月日摘要粘性泥沙絮凝沉降過(guò)程對(duì)粘性泥沙運(yùn)動(dòng)及港池航道的沖淤,乃至河口海岸演變等都有重要影響,而泥沙絮凝沉降本身又受到
3、多種因素影響。因此,研究各種因素對(duì)粘性泥沙絮凝沉降的影響對(duì)深入理解粘性泥沙絮凝沉降規(guī)律和機(jī)理有重要意義。本文在引入XDLVO理論建立粘性泥沙絮凝沉降格子Boltzmann(LB)模型的基礎(chǔ)上,對(duì)粘性泥沙絮凝影響因素進(jìn)行了研究。本文主要結(jié)論如下:1、在LB模型中引入XDLVO理論,并對(duì)模型進(jìn)行了校驗(yàn),LB模型中XDLVO力的計(jì)算結(jié)果和公式計(jì)算值吻合較好。同時(shí)進(jìn)行了參數(shù)敏感性分析,從理論上分析了XDLVO作用力對(duì)泥沙絮凝沉降的影響?;赬DLVO理論的LB模型能合理反映顆粒間作用力,可以進(jìn)一步應(yīng)用于泥沙絮凝沉降的模擬中。2、應(yīng)用基于XDLVO理論的LB模型研究
4、了不同粘土礦物的絮凝沉降特性。結(jié)果表明,伊利土、高嶺土和蒙脫土三種粘土礦物的絮凝能力從強(qiáng)到弱依次排列,模擬結(jié)果和已有實(shí)驗(yàn)一致。3、模擬分析了水體pH值、硬度、鹽度和溫度等因素對(duì)粘性泥沙絮凝沉降的影響。pH值計(jì)算結(jié)果表明:pH值對(duì)泥沙絮凝的影響趨勢(shì)與其對(duì)泥沙表面電位的影響趨勢(shì)一致,pH>6時(shí),pH值對(duì)絮凝影響不大。水體硬度計(jì)算結(jié)果表明:低鹽度時(shí),硬度對(duì)絮凝影響較大,高鹽度水體中硬度的影響可以忽略。在實(shí)際河口海岸中,水體pH值及硬度對(duì)粘性泥沙絮凝的影響可以忽略。鹽度計(jì)算結(jié)果表明:鹽度增加會(huì)先促進(jìn)絮凝后抑制絮凝,鹽度為5.0ppt左右時(shí)泥沙最易絮凝,分析認(rèn)為鹽度
5、對(duì)粘性泥沙絮凝的影響主要是通過(guò)影響泥沙的粘結(jié)概率來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)溫度的模擬結(jié)果表明:溫度越高,泥沙越容易絮凝,泥沙群體平均沉降速度越大,這是溫度對(duì)水體粘性和顆粒間微觀(guān)作用力影響的綜合結(jié)果。4、分別應(yīng)用多層振動(dòng)格柵和LB模型從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)角度研究了紊動(dòng)對(duì)泥沙絮凝的影響。結(jié)果表明,粘性泥沙絮凝沉降過(guò)程中,水體紊動(dòng)會(huì)影響泥沙濃度歷時(shí)、泥沙粒度分布、絮團(tuán)粒徑、絮團(tuán)沉速、絮團(tuán)有效密度和絮團(tuán)分形維數(shù)等特征??傮w來(lái)說(shuō),水體紊動(dòng)會(huì)先促進(jìn)絮凝后抑制絮凝,且泥沙絮凝的最佳紊動(dòng)強(qiáng)度隨水體鹽度和泥沙濃度略有變化。5、引入扁球體的空間運(yùn)動(dòng)方程,建立了可以模擬扁球體粘性泥沙絮凝沉降的
6、LB模型。計(jì)算不同雷諾數(shù)條件下單顆粒扁球體的沉速、阻力系數(shù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證;從顆粒與流體相互作用角度解釋了單顆粒不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)的原因,從水動(dòng)力和顆粒間微觀(guān)作用力角度解釋了兩扁球體不同相對(duì)位置對(duì)絮凝的影響。關(guān)鍵詞:粘性泥沙絮凝礦物種類(lèi)溫度紊動(dòng)扁球體XDLVO理論ABSTRACTFlocculationprocessesofcohesivesedimentstronglyaffectthesedimenttransport,erosionanddepositioninharborbasinandchannel,andevolutionofestuariesand
7、coasts.However,therearevariousfactorsresponsibleforcohesivesedimentflocculationitself.Therefore,itissosignificanttostudythevariousfactorsontheimpactofcohesivesedimentflocculationandsettlingprocesses,inordertobetterunderstandthemechanismofcohesivesedimentflocculation.BasedontheLatt
8、iceBoltzmann(LB)modelofcohesivese