【摘 要】
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在我国河口地区存在着大量的粘性细颗粒泥沙,粘性细颗粒泥沙常常发生絮凝。泥沙絮凝对泥沙沉积和输运运动等产生重要影响,进而影响河口海岸地理和周边环境。因此研究泥沙絮凝问题对河流中污染物的迁移规律、水生态环境和河道整治问题以及经济的可持续发展有着重要作用。本文以细颗粒泥沙为研究对象,通过理论推导与物理试验两方面分析了泥沙静水絮凝动力学模式、温度对泥沙絮凝的影响机理和大尺寸絮团沉降规律等问题。主要研究内容
【基金项目】
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细颗粒泥沙絮凝沉降机理及输移数值模拟研究（陕西省重点研发计划:2021SF-447）
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在我国河口地区存在着大量的粘性细颗粒泥沙,粘性细颗粒泥沙常常发生絮凝。泥沙絮凝对泥沙沉积和输运运动等产生重要影响,进而影响河口海岸地理和周边环境。因此研究泥沙絮凝问题对河流中污染物的迁移规律、水生态环境和河道整治问题以及经济的可持续发展有着重要作用。本文以细颗粒泥沙为研究对象,通过理论推导与物理试验两方面分析了泥沙静水絮凝动力学模式、温度对泥沙絮凝的影响机理和大尺寸絮团沉降规律等问题。主要研究内容及成果如下:（1）基于DLVO理论求解出颗粒间引力与斥力表达式,并判断出絮凝发生条件,即以泥沙颗粒是否越过势垒所在位置为标准;通过引进球形絮凝发展模型,应用Fick第一定律,充分考虑了泥沙颗粒所遇的阻力情况,推导出静水条件下泥沙絮凝动力学方程和絮凝速率系数,由此得到絮凝过程的半衰期及絮凝平均沉降速度等参数;经已有试验数据验证表明,本文推导出的絮凝动力学方程与试验数据符合良好。（2）基于自主设计的细颗粒泥沙保温沉降试验平台,观测了泥沙浓度60g/L、温4°到35°及不同电解质浓度条件下的泥沙清浑交界面沉降规律。研究发现:随着温度的升高,清浑交界面沉速将逐渐加大。并基于第三章所推导的絮凝速率系数,综合考虑了温度对扩散系数、势垒高度等参数的影响,从理论上证明出温度对泥沙絮凝起着促进作用。（3）通过高速摄影装置拍摄记录絮团颗粒沉降过程,并利用Adobe Photoshop CS6、Image-pro plus和MATLAB等图像处理软件获取絮团运动参数,得到了静水条件下大尺寸絮团沉降规律。试验结果显示,对于粒径在0.17mm～0.45mm、0.17mm～0.66mm范围内的大尺寸絮团,其沉速与粒径之间满足较好的线性关系。（4）以絮团外侧单颗粒泥沙为研究对象,充分考虑颗粒间作用力,认为絮团破坏原因主要是由水流剪切力造成,其表达式可依据牛顿内摩擦定律求得。并在颗粒受力平衡条件下,根据颗粒间粘结力与水流剪切力之间的作用关系,建立了静水条件下大尺寸絮团的沉速公式,试验数据验证表明,公式精度较高。
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