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泥沙沉降是泥沙运动的一个重要环节。了解泥沙沉降规律以及影响泥沙沉降的因素,对于海岸工程、航道疏浚以及环境保护都具有重要意义。本文旨在应用多体相互作用的流体动力学理论研究泥沙沉降行为,特别是在盐水环境下,粘性泥沙颗粒聚集成絮团的机制。主要研究内容如下:
⑴阐述了斯托克斯流体动力学和加速方法(ASD),同时指出由于远场力和润滑力不同时求解,导致需要可调参数和额外迭代。为此,我们提出了一种无可调可解性参数的ASD方法(NASPASD),既避免选择参数的任意性,又可保证计算的精度与效率O(N ln N)。
⑵采用提出的无可调可解性参数方法研究粗颗粒泥沙的沉降,编写并行程序,分析了布朗运动影响的粒径范围,分裂参数、截断半径等因素对计算的影响。将计算的阵列沉降和随机沉降结果与现有结果比较,验证了提出的理论模型、计算方法和并行编码的正确性。
⑶由于粘性泥沙颗粒本身的物理化学特性,需要考虑絮凝过程的影响。传统的絮凝解释基于胶体稳定性DLVO理论。然而,DLVO主要用于亚微米颗粒,并且限于低盐度、低表面电势情况。采用包含水合作用的XDLVO理论,研究海水中的泥沙沉降。分析了盐度、泥沙浓度、颗粒粒径、Hamaker常数,水合作用等因素对泥沙絮凝沉降的影响。获得的泥沙絮凝沉降速度的拟合公式与钱宁和大港淤泥实验研究公式相符,对于工程实际有重要参考意义。