李世森，张 睿（天津大学，天津 300072）



泥沙颗粒沿水深方向的受力研究

李世森，张 睿
（天津大学，天津 300072）

摘要：对于研究泥沙群体性运动和实际工程的人来说，单颗粒泥沙的运动一直是研究问题的基础和关键。天然泥沙颗粒几乎都是非均匀的，其运动形式也具有随机性，这就造成颗粒附近流场的随机性。国内外学者对单颗粒泥沙受力情况的研究由来已久，文章采用Flow3D软件对单颗粒泥沙在定常流下的受力进行了数值模拟，得出了拖曳力系数和上举力系数关于泥沙颗粒直径、流速等因素的一定规律。

关键词：单颗粒泥沙；托曳力系数；上举力系数

引 言

河床表面的沉淀物颗粒受水流力的影响，水流力可以分为上举力和拖曳力。Shields（1936）研究床面泥沙颗粒力的平衡状态，进而推导出了无粘性均匀颗粒的起动拖曳力，并根据实验数据画出了起动拖曳力与雷诺数的关系图，及希尔兹曲线［1］。而后，Einstein和El-Samni（1949）［2］实验测量了颗粒由上下压力差产生的上举力。经过多年的研究，发现在一定范围内，拖曳力及上举力之间存在一定比例，结果受雷诺数等的影响，但仍未得出统一公式。

泥沙颗粒在水流中受拖曳力与上举力，拖曳力FD与上举力FL的一般表达式为：

式中：CD和 CL为拖曳力系数和上举力系数；u0为作用在床面泥沙颗粒上的流速。拖曳力系数与上举力系数由实验得出，具体不同流速下的实验已很多。

拖曳力系数是用来表示在流体中物体受牵引或受阻碍的程度的无量纲指数，其应用于拖曳力方程中，数值相对较小表示物体受拖曳力小，反之表示受拖曳力大。……