冰塞多孔隙介质透渗流特点模拟分析探究

邓华江

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330000)

0 引 言

实践研究证实，透渗流与孔隙率存在显著正相关，即两者都会同步增大或减小。由于水体在流动时不免会产生能量损耗，同时对冰体出现托曳力，导致上下游水位和冰塞体构造状态发生变化。在文章中，笔者以某工程为案例对象，选用室内模型实验，依托经典理论，分析冰塞内透渗流有关特性，不仅对冰塞构成原理和判定透渗流流动状态研究具有重大实践意义，还能为同业发展提供期相关技术支撑及理论依据[1]。

1 多孔隙介质的透渗流拉曳常数及雷诺数

多孔隙介质中的力是流体作用于固体基质上形成的。国外学者认为多孔隙介质中的3种力会作用到固体颗粒上：①分力；②浮力；③拉曳力。其中，拉曳力F可用下式1求出：

Fd=ρgnSf

(1)

式中：Sf系为水面线梯度；ρ系为液体密度，kg/m3；Fd系为透渗流拉曳力，N；n系为孔隙率，其导出公式2：

(2)

式中：Vti系为多孔隙介质中的固体颗粒体积，m3。利用下式(3)可求出单个拉曳力(Fdi)：

Fdi=ρgnSfVi

(3)

式中：Sf为水面坡降；Vi为一个固体颗粒的体积；利用下式(4)可求出单个拉曳常数：

(4)

式中：up为相对速率，通过式(6)及式(5)可直接推导出；Ab为面积；A为过流量；q为速率；Hw为水深；B为河槽宽度；A为与流水方向垂向的对应断面面积。

up=q/n

(5)

q=Q/A=Q/(Hw×B)

(6)

水的运动黏度u，如式(7)所示。

Re=q×ds/u

(7)

ds=6/Ms

(8)

(9)

借助式(8)和式(9)我们可以求解出ds，其中，ti为冰厚；p为周长；Ms系为比表面积，与ds呈现反比关系。

国外学者Yang在开展的研究中利用微分方程求解，设计出了透渗流拉曳常数(Cd)与雷诺数(Re)的关系式，它们主要应用于两相流和降沉研究领域，随着技术发展，学者们开始利用此参数对球体及近球体颗粒展开研究。……