流动浆液中宾汉剪切力变化规律^＊.pdf

1 9 8 9 年 3月 泥抄研究 J o u r n a l o f S e d i me nt Re s e ar c h 第 1期 流动浆液中宾汉剪切力变化规律 一 王 虹 费祥傻(精 华大学)提 要 河 遭 中洪水 高 含抄 水 流和 工 业管 道输 送 的高 浓度 浆 体 多数 属于 宾汉 型 流体 宾汉 剪切 力 大小 对 于 高含 抄水 流 或浆 体 的流 动特 性 有很 大 彰嫡 本 文 通 过水 槽试 验，研 究 了流 动浆 液 中宾汉剪切力随着水流的有效雷诺数的增加而减少的变化规律在层流 向紊流过渡时(有效 雷诺 数 按 2 1 0 0 计)宾 汉 剪切 力 约为 静止 条 件下 的6 0 当有 教 雷诺 效达 到 3 5i 0 时 宾汉 剪留 力 接近为零，浆体 可近 似 地按 牛顿 流 体考 虑 一、引 言 多沙河流 中的高含沙 洪水及长距离 管道输送 的浆 体，都 含有一 定 的细颗粒 这种水 流 或浆体一般可 按宾 汉体 考虑这样宾 汉剪切力 的大小，就成 为决 定流动特性 的重要参 数在流 动条件下，细颗粒 形成 的絮凝 结构 因承受不 了流动产生 的剪 切作 用而破坏，并维持在一个新的结构水平，这种随流动强度增加使浆体宾汉剪切力减少的现象，已引 起 研究人 员的注意，但 由于情 况比较复杂 尚无人 进行系 统的试验来定 量地 描述宾 汉剪 切力随 流动条件而变化 的规律 因此对一些 实际问题，如 高含沙水流 形成 伪一相 流的条 件是什 么?长 距 离管 道 中浆体 的稳定输送 条件又怎样考虑，泥石流 中粗 大颗粒是 否由宾 汉极限剪 切力 来支 持等 问题，往 往引起 争议 研究 流动条件 下高含沙水流 或浆 体的宾 汉 极 限剪 切力的变化，有 助于 澄 清上述 问题 二、流动条件下 的宾汉剪切力计算图形 含有一定细颗粒泥沙的高含沙水流，当含沙量大到定程度后，便形成絮凝网状结 构，可 以承 受一定 的静 切力，即宾汉极 限剪切力但絮 凝 阔状结构 并不 牢 固，在水 流剪 切作 用下，网状结构发 生变化，宾汉极 限剪切力 将通过 流核宽度变化反 映 出来 因此，如采 用将高含沙水流 看成满足宾 汉体，对其 本构 方程积分，从流速分 布公式 反求 的方 法，就有困难因为在积分过程 中，不得不假定 不变，这就与实际不符但如采用测 定 不同水流强度 下流 核太 小或 流速 分布的方法，就可推 求 的变 化 图 l中(口)、(b)分 别为水槽表 面、垂 向流速分布示意 图在流棱 区边界，取 一单 位长度浆体，断面 示意图如 图 2 流核边界线，事实上是水流的等切力线，如图 2中的实线所示，这里在计算周界长 丰文 为第 一 作者在 第二 作 者指导 下所 完成 的碗士 论文 的一部丹 88 维普资讯 http:/【b)图 l 东 槽表 面、垂 向流 速分 布示 意 图 图 2 流 核断 面示 意 图 度 及 流核区水体面 积时，为方便计，可 以概化 为一矩形，如图 中虚 线所示 设作 用在流核周界 上的剪 力为 t，则在 均匀稳定 流动下，流核区水流在 流动方向的 重 力与支持 它的周界剪 切力平衡 这样可得 T (H一 )+(b z)2=2(H一 )(b z。)J (1)或=H-y +(b-Z 一(。)。)。=J (2)1 =在二元水流 条件下(如水槽宽 度很大)，存在 水平 向的剪切 力 在 我 们 的条 件 下，由于宽深 比不足，因此，等切 应力线如 图 2所示 这 里值得注意的 是，在高含沙 水 流条件下，由于 水流粘 性 高，在试验浓度Sr 0 1 0 的条件 下，水 流粘 性 约 为 清出的 5 倍 因此，虽 然在 清水条件下，槽底糙 率大于光 滑的边壁，但 在高含沙 水流 条件下，由 于粘性 边界层 的成倍加厚，槽底事 实上也是水 力光 滑的 也就是 说 在 高 含 沙水流条件 下。本试验水槽 的底部 与边壁 同属光滑 因此，有理 由认为横蜥 面上 等剪切线距边 壁 及槽底是 近乎对 称的，即可近似地认 为 H b 我们 在相 同试验 条件下，从冲水毕 托 管 实测垂 线流速分 布与表面 流速分布资料 比较，可 认为上述 近似是 合 理 的，如 表 1 这 样，式(2)改 为 百一 m J 表1 相 同条 件 下平 面 与垂 向 流 核相 对 位 置 比较-=1 1 5 8 一=l-l 94 Z。b H Z b H 0 5 4 0 5 7 0 8 0 4 0 5 8 0 6 1 0 9 6 0 48 0 6 0 0 6 2 0 5 0 4 0 肋 0 6 2 0 6 3 0 5 2 5 0 52 0 6 5 0 65 在 流 核边界 处=由上式 有 f a 一HH(b+-Z o),b J (3)a r H十、，通 过量 测流 核边 界点的位置，从上式 就可 以确定在 相应流 动条 件下 的宾 汉 剪 切力，可用 以计 算表征 流动 条件 的有 效雷诺数丑。等等这一 图形虽 然简 单，并 有 近 似性 质，但下面将论证，它与实际情况还比较符合 89 维普资讯 http:/ 三、试验概况 试验在一长 约 9 m 的矩形有 机玻 璃水槽上进行，水槽断 面 宽 1 5 o mm，高1 5 O mmt 水槽是 可调底 坡的 图 3是 试验设备 布置 简图 幽嗵甘 图3实验 设备 布 置示 意 图 为了增 大有机玻 璃水槽底 部糙率，提 高水 槽 中浆液深 度，在水 槽底部置有 表面均 匀 粘有粒径 为I 5 r n m塑料 沙的 塑料板 在水槽尾 部，装有可 升降的控 制尾 门，以调 节 不 同 浓度、不 同底坡情 况下，明槽浆 液的水深，保持浆液处 于均匀流悫 在 中部试验 段，装 有 三个铡针，用以测量 水槽 中浆 体水位和槽底坡 度的变化 试 验所 用泥沙 为花 园 口泥，其 中值粒径 为D。一0 0 0 4 5 r n m，比重。=2 6 8 c r n 其、图 4花 周 口泥抄 粒 径 分布 曲线 级配 曲线见图 4 表面流 速分布的量铡 采 用直 观 的 照 像 法 在水槽侧壁顶 面贴 有标 明刻 度的方格纸，用以表示距离 在试验 过程 中，对 一定 辛 妊度 的浆体，在某一流 速情况下，某时刻 在零剡 度 位 置上沿水槽 断面宽往泥 浆流表面 上滔 一条 白色高岭 土直线，并 同时 用 电子效 字显示秒 表开始计算时间随着流动的进展，自色高 岭土直 线在表面 上变形并 伸长，形 成表荷 巍 速 分布，待 经过一定距离，流速分 布 曲线达 到稳定 后，在下 游一 定位置 上 用相机将 表面流速 分布 曲线和 秒表摄取在 同一镜 头内t就 可以记 录该时刻 表面流速分 布 曲线走 过的距 离，从而 获得该流量 条件下 的表 面 流 速 分 布、流核 宽度和流 核流速 调整 试验 系统 的流量，就 可得到不 同流量 条件下 的表 面流速 分 布 四、试 验 结 果 分 析 如 照片 1(o)、(b)、(C)所示，是在一定 浆体浓度 和水 槽底 坡条件 下，当 试验 系统流量从小 到大增加 时，水槽 中流动浆 体表 面流 速分布 的变化 从流速分布周 中 量 出流 核宽 度(或 流核边界点 位置)，由式(3)就可 确定在一定 浓度和底 坡条件下，流 动浆液 中宾汉 剪切 力 a t 的 变化 维普资讯 http:/(口)照片l 实 测表 面流 速 分布 流动 条件下，宾 汉剪 切力 的变化 与浆液本身 的性质 及流动 状态有关 因此，选 择有 效 雷诺数R，来和流动条 件下宾 汉剪切 力 r 建立关 系因为R。t 中既包 括 Tp。T B、等 反 映浆体 特性的量，又包 括 了t 、h等反映水流 运动 条件 的量，应该能较好 地反映 出二 者 之 间的相互作 用关系 (一)有效誉 诺数 的衰选 式 对宾 汉体二 元 明渠层流，由基本流变方程 出发，导 出如下 单宽流量公 式”q=u 一 号(击)+(击)一 一 号()+*)()令 A 一 一 号(亡)+(亡)剐 =孝 其 中 L长度 内的水头损失 上式可进一步转化为 3 z L：9 6 L z 两 一 百 f1 对 于 具有一定宽 度的非二元水 流，认为 可近 似用水 力半径 R代 替水深，上式 转化 为 击吉吾(s)面。百 9 1 维普资讯 http:/ 上 式 中 玉=蔷 即 层 流 阻 力 系 数 竹 于是有效雷诺数 为：=塑 喾 1 一 旦2 r ,J、-土2 r 三 量rw、(6)稿(7)的差别在于，式(7)在推导过程中忽略了式(4)中的高次项 卜)在流动强 度不大时，忽略高次项是不合理的”在试验范 围内，花园 口泥浆 液浓度不高，可近 似为宾 汉模型故 采用上式作 为反 映 浆 液流体性 质和 流动状态的特征量 式(6)中又包 含 了宾汉剪 切力，f。的取值 对有 效雷诺数 的数值 有很 大影 响 雷 诺数 的大小不仅 反映 了浆液流体性 质与流 动状态 的相互作 用，而且是 判别浆 液流 态的一 个 准数 因此，浆 液流动过程 中，选择合适 的。值计算 有效雷诺数是 一个重要 的问题 目 前，计算有效雷 诺数 R。时，作为近 似，的取值 一般按无 流动影 响，即浆 液 的宾汉极 限剪 切力。值 这种方法 虽然考虑 了浆 液流 动情 况下粘滞力 的影 响 但 忽 略 了流 动情 况 下浆休絮 凝结构的破坏将 导致宾汉剪 切力减 少 的事实，以致过份 地强调 了流 动条件 下 有 效粘滞力 的作用 计算有 效雷诺数 时，如果 不考虑浆液 的宾汉剪切 力所引起 的内摩 擦 力，即取=0，忽 略了结构浆 液中絮凝结构对 素动的遏制 作用，则容 易导致 关于结 构液体 中紊 动发生性 条件的不正确结论合理的方 法，应该是取相应流动条件下的宾汉剪切力=r (=)f _ T 。o R件的关 系 根据 以上分析，我们 在计算有效 雷诺数时，按式(3)计算 结果取值 图 5点绘 了按上述T。一t。取 值方 法计算 的有效雷 诺数R。与 相对 剪切力 r f。的关 系 。是 将 毛 细管牯 度计 测得 的虚流变 曲线延长，至 横坐标 为零 即切变速 率等于零时 所得 的无 流 动影 响时，浆液 的宾 汉极 限剪切 力从 图中可 以看 出，试验 点据比较集 中，而且 总的 变化趋 势很明显，随着 浆液流动强 度增加，相对剪 切力逐渐减少 如果 按 R =2 0 0 0 作 为层流 与素流 的分 界点，则从 图中我们看 出，在层 流 与紊流 交界 处，r 。=0 6，相 对 剪 切力的变化没 有出现突变，只是 随着有效雷诺数 R 的增加，相对剪切 力 t。逐 渐减少，这种减少 规律，在我们 的试验范 围内，如图 5所 示，在 R 1 0 0 0 范 围内，可 近似 用下 式表达 鲁=号(-一 )()当流动强度达到一定值时，浆体絮凝结构有可能完垒破坏，不复 存在按式(B)或 图 5，当有效雷诺数 约为=3 5 1 0 时，f。=0，说明高浓 度 浆 液，即使在紊 流 状 态，宾汉 剪切 力仍存 在，只是 比无 流动情 况有所减小，只有当 流 动 强 度 达到一定值 92 维普资讯 http:/ c 融 强 暑 兰 墓耋 耋薰萋墓妥善萎墓墓薹一茎篡 囊 五、f B 值变化对浆休流动阻 力的影响 _ I 田寸 1 平方区，因此，其阻力系数与 雷诺数有美 这 就要研 含沙 水流 一般较难达到 阻力平方 区，因此 阻 究 用 嚣耄 慧 明 。a J R。其 中 是忽略了(f )商次项后 正 确的公式应 是式(6)令：R _ 4P u R 大 求 得的近似值 这 在流动强度较 小嗣譬 带 术 一。：A。：一 言 +专 a 警 A 特醐 _ J粥 (1 1)(1 2)93 维普资讯 http:/ 则 式l 1)为 1 2=十 号 导 (1 3)1 十 虿“一 i 或 苦=。(1 4)一 0 。、于是，有效雷诺数 R。：4 P-A。=1 2 a (I S)v 、比较式(1 0)与式(1 5)。可 以看 出两 种雷诺数表达式 的 比值与 a值 有关，困 苦=旦3 8 R 一 (+N )口 一 J 如表 2，两种雷诺数表达式的差别，随着 口值加大而增 加 表2两 种雷诺 数 表达 式 的 比较 O 4 0 5 0 6 n 7 O 8 n q N t 6 a9 儿 1 1 9 2 3 4 6 69 1 1 7,1 4 74 4 8 R R O 9 8 7 0 9 5 9 O 9 4 O 9 0 0 8 5 0 7 9 6 O 7 3 3 (=)阻力系数，有效雷诺数R 关系 有效 雷诺数 的表达式 中，包含 了宾 汉剪切力 目前，作为近 似，的取 值一 般按 无 流动影响，即取浆液的宾汉极 限剪切力。值我 们也 用同样方法，点绘 了 明 渠阻 力 系数 与有效 雷诺数R。的关系如 图 6，实线是 按f=s 6 R。(一)点绘 的 理论 线 从 图中可以看 出，试验 点据落在理 论线的稍下方，并且，随R 的增 加，偏离 计 算 曲线 越来 越大 这 是 由于 计算有效雷诺数 时，取 了无流动条件 下浆液 的宾汉极限剪 切力 ，忽略了流动 情况对浆 液絮凝结 构的破坏造成 的宾汉剪 切 力减少，以致过 份强调流动 条件 下 有效粘滞 力的作 用R。愈 大 水流剪切 力愈大，浆 液絮凝结 构破 坏得越严重，宾设 剪饵 力 与无流动影响的宾汉极限剪切力。偏差越大，致使试验点据与理论线偏离越大 从 以上 分析可 以看 出，在阻 力计算 中，即使层 流范 围严 格按不忽略 高次项推导 出的 式(1 5)计算有效雷 诺数，仍 由于 计算中取 了无 流动影响时浆 液的 宾汉极 限 剪 切力 ，使相 应流 动条件下计 算的阻力 系数 值偏大雷诺数R 越大，由此而 产生 的误 差越大 值得 注意的是，目前 计算层流阻 力系数，不仅不考 虑 的变化，而且 忽略(T T 一，的高次项，这 就引 了双 重误差，使计算的阻力偏大更 多正 确的方 法，应先 求得考 虑 变化后的R ，来计算驵力系数，(三)f 计算 图形的检验 从图 6中，甩相反的步骤，可推算 出相 应流动条件 下 的 宾 汉 剪 切 力 t e，其方 法 盘 盯 下；首先 由水 槽试验所 测得的水深 H、比降 J、流速 按式 维普资讯 http:/ 目。一 0 图 6 按。计 算得 出的R。关 系，=孕 (1 6)计 算阻力系数l 然后 由式，=确定 相应 流动 条件的有效 雷诺数；其 次根 据式=一 号 甩牛顿法通过计算机求解上式的根，从而定 出口；将。代入式(1 4)中确 定 出N，；最后 由式(1 2)可计算出相应流动条件下的宾汉剪切力 图 7点绘 了按上 述方 法确定 的流动 情况下，宾 汉剪 切力 的相对 值 a r s T 与有 效雷 诺数皿 的关系 从图 中可 以看 出：。随 兄。，变化趋势 与图 5非常 相 似，随着 有效 雷诺数兄 不断增 加，宾汉剪 切力 逐渐减小 图 7由层 流 阻力 推 算 t r 得 出 的 Re 关 系 虽然图 5和 图 7中，用两种不 同方 法确定 的宾 汉剪切力 T 和T ，日 是不 同 的，f 表 明流动情况卞，流核边界处宾汉剪切力变化，而，表明流动情况下，平均 宾汉剪切力 盎化 但 比较两 图，表 明用 测量流核宽度推算 流动情况 下宾 汉剪切 力的变化，是 有一定 代 表性 的 维普资讯 http:/ 六、结 论 1 浆 液的宾汉 剪切力 与浆 液流体性质 和运动强 度有关 本文 试验基础上，考 虑 流 动情况 下宾双剪 切力的减小后，建 立 了宾汉剪 切力相对 值 与有效 雷 诺 数的 关 系 试验结果表 明，随着 水流强度的增 加，宾汉剪 切力 逐渐 减小，在 层流 向紊 流过渡 时 t T a r o -0 6；在R t=3 5 l 0 左 右，f f a -0，即宾汉 剪切 力不复存在 2 高浓 度浆液的 阻力系数与雷诺 数有关所 以，阻力系数 与流变参数有 关分析及 试验结果表 明，阻力计 算 中，即使在层流 范围内严格按宾 汉模型 不 忽 略 高 次 项(o)推导 出的式(1 5)来计算有效 雷诺数，仍 由于在计算 中取 了 无 流动影 响的凝液 静切 力。而使 得相应 流动条 件下计算的 阻力系数 偏大，有 效雷诺数皿 越大，由此而产 生的相对 误差也 越大 3 阻力计算 中，合理的 办法 是取 相应 流动条件下的宾汉 剪切 力 目前计算 层流阻 力 时，不仅 不考虑 r a 的 变化，而 且忽略 了(，)的高次项，这就 引人 了双 重 误 差，使 计算 的阻力偏大更 多 4 从阻 力公 式反算表 明，随着有 效雷 诺数R，不断 增加，宾汉剪 切力 逐渐 减小，进 而表 明用测量 流核宽度推算流 动情况 下的宾汉 剪坷力的变化是 有一定代 表性的 1 2 3 4 参考文献 P希 辛柯，泥 浆木 力学 石 油工业 出版社，1 9 6 7 年 费祥 俊伪 一相 流层 流 阻力 及层 流、紊 流过 渡 流速 清 华 大学 木利 系 研 究报 告 钱 宁、万兆 惠，泥沙 运 动力 学 科 学 出版社，1 9 8 3 年 王虹，流 动 条件 下 高含 沙木 流 宾汉 剪 坷力 变化 特 性 的 研 究 清华 大 学 硕 士 学 位 论文 1 9 8 7 年 国际水力研究协会第2 3 届专业会议将在渥太华召开 国 际木 力研 究 协 会 第 2 3届专 业 会议(Tl 弛 xxI l AHR Co n g r e s s)将 于1 9 8 9 年 8月2 1 日 2 5 日在 蜘 拿太 渥太 华 温 斯 顿 宾 馆(W e s t o n HO t e 1)召 开 会议 的 中心议 题 是 木 力 学 与 环 境，会 议包 括学 术 交 流、专题 讨论、论 文 张 贴、录相、特 邀报告 及学 生论 文 竞赛 等 欢 迎协 会 威 员 及对 此 有兴 趣 的 人 员参 加 台 议 1 学 术交 流 内容 有(1)素 流 力学 紊 流的 物理 机理、素流 试 验研 究 与经 验 方程、索流 数 学模 型、素流 测量 技 术 (2)河流 水 力学 冲 河 道 的断 面 与河 2 妻 滩的 生成、人类 活 动对 河 流的 影 响、漫滩 河槽输 沙 力 学、牯性 材 料 的侵 蚀 与输 运 (3)海洋 水 力学 拇 洋 平 面 高程的 变 化 饿 向及 其对 海 岸线 的 影 响、海 建 筑 物 上 的 水 动 9 6 力、海 洋状 态的 三维 测 量、分析 与横 担、悔 岸 演 变的 数 学椟 型 (4)环境 木 力学 热与 污染 的 混 合 与 扩 散、河流 木质 模 型、江 河 湖帕 气水 交界 面 的传 质、大河 支流 对 环境 的影 响 2 讨 论的 专题 有：(1)冰 塞 与洪水 的 分 析 与控 制 方法：(2)计 算 水力 学数 学；(3)木 工建 筑物 设 计 中的 危 脸性 与 不准 确 性 估计；(4)租化 与 颗粒 筛 选对 推 移质 基奉概 念 的 影 响 参加 会 议 论文 接受 时 间截 止 在1 9 8 8 年 1 2 月3 1 日(茌 德胜)维普资讯 http:/