以流速为参数的悬沙沿垂线分布公式及其应用.docx

以流速为参数的悬沙沿垂线分布公式及其应用
悬沙是沙漠、海岸和河床等地形中普遍存在的现象，泥沙随液流运动，有一定的承载力和剪切作用，从而将沉积物推动到一定的高度，这些高度的沉积物随着液流的影响而发生起伏，并形成“悬浮沉积物”，也即“悬沙”。悬沙的流速分布往往是研究流体力学、海洋学、地质学等领域的重要问题。
悬沙沿垂线分布通常是以液相中的流速作为主要参数来描述的。在许多已经开展的研究中，建立了基于流速的悬沙沿垂线分布关系，其中最早的研究是由AlbertShields于1936年提出的，他通过精密的实验分析，提出了基于液相中最大流速与悬沙高度之间的线性关系，即Shields关系。
Shields关系被广泛引用，并且已经成为了沙质水流中的标准关系。其数学表达式为：
u*t^*=kw
其中，u*t^*是摩擦速度，k是Shields参数，w是沙子的密度，而u是最大的液相流速。这里，k是悬沙分布最核心性的层面参数，不同的k值会引起不同的悬沙高度。
Shields关系虽然已经被证实可以完成多种不同类型的沉积物，但是它的限制性更高，实际上它只能描述少数的高流速和悬沙颗粒的直径相对较小的情况。这样的限制性源于Shields模型的最基本的假设，即它是基于一系列在没有任何粘度改变的不同流速下容器中的无界罐沉积实验得出的。
虽然Shields模型有多项改进，但在实际应用过程中仍然表现不愉快。为此，相关学者们不断开展研究，提出使用倒数模型来拟合最大悬沙高度的不同流速的灵敏度依赖关系的建议。在该方法中，流速和倒数悬沙高度之间的线性关系是更合适的，因此模型可以表现出更广泛的适用性。该方法最常用的形式是关注最大的悬沙浓度，而不是最大的悬沙高度，因为球形悬沙颗粒之间的距离可能在悬沙的浓度和高度之间的组合中发生变化。在倒数模型中，倒数的悬沙高度是以地表液面的浓度为比较基准的。
倒数模型的数学表达式如下：
1/H=max(A1u+B1，A2v+B2，A3w+B3)
其中，H是悬沙高度，u、v和w是分别在x、y和z三个方向上的流速的分量。A1、A2、A3、B1、B2和B3是模型的六个其他参数。
倒数模型的核心思想是，沙子高度在流速的影响下会改变，并且可以通过比较已知浓度下的沙子高度估计在不同流速下的最大沙子高度，从而建立悬沙沿垂线的分布公式。倒数模型不仅可以描述不同流速下的悬沙分布，而且对于不同类型的沉积物也有一定的适用性。
综上所述，建立基于流速的悬沙沿垂线分布关系，是研究流体力学、海洋学、地质学等领域的重要问题，可以通过Shields关系和倒数模型等方法实现。在实际应用中，需要根据具体情况选择最适合的方法。