随着水流速度的提高,固体颗粒由静止进入运动状态,其运动形式因水流强度及颗粒的物理特点而不同。从固体颗粒运动的支持力及输移消耗能量的方式,可以分为以下运动形式:
(1)推移运动。
当水流速度超过颗粒起动流速后,颗粒开始离开床面向前滑移或滚动,且在运动中经常与颗粒床面保持接触。由于颗粒的相互作用及床面的高低不平,在一定流速下颗粒又以跳跃形式向前推进。跳跃的高度、距离及跳跃一次后停留在床面上的时间,因水流的强度及颗粒的物理特点而不同,所以这种运动的颗粒又称之为跃移质。作为一种运动形式,跃移可以将滑动和滚动包括在内。因为滑动、滚动可被视为跃高为零的一种跃移运动。以这种形式运动着的颗粒统称为推移质。
推移质的平均运动速度远低于水流的平均速度。固体颗粒从床面跃起、加速,以及与床面摩擦、撞击,直接消耗一部分水流势能。
推移质一般颗粒较粗,其运动的支持力来自颗粒间相互作用的粒间离散力。
(2)悬移运动。
当水流速度继续增加,使紊流进一步加强,水流中充满着大小不同的漩涡,这时固体颗粒在自床面跃起的过程中,可能遇到向上的漩涡,并被带到距床面更高的流区中。一般来说,这要求漩涡向上分速度必须超过颗粒的沉速,而且漩涡的尺度也一定要比固体颗粒大很多。被水流带到远离床面而运动着的颗粒称为悬移质。
颗粒的悬移运动发生在整个水流范围内,但其垂向的固体浓度往往会有一定的分布梯度。悬移质与水流相互作用,并从紊流的动能中获取部分能量,而紊动动能是由水流势能转化而来,因此悬移运动虽不直接消耗水流势能,但其具有的能量亦应占有水流势能的一部分。与推移质运动的消耗相比,悬移运动的能量消耗要小得多。
颗粒悬移运动的支持力来自水流紊动的漩涡,这使悬移颗粒相对均匀地分布在水流中,因而增加了悬液的容重。悬移质是通过悬液容重的增加而增加作用到固体壁面的静压力。
3)中性悬浮运动。
在含有细颗粒的水流中,当细颗粒浓度增加到一定程度后,水流由牛顿体转变为宾汉体。而水流中固体颗粒粒径d<0. 01~0. 03mm的细颗粒沉速接近为零,可以忽略不计。这部分颗粒不需要水流紊动作用便可保持不沉而随水流运动,也几乎不消耗水流的能量。悬液中这部分运动着的较细颗粒常称为中性悬浮质。实际观察及实验表明,宾汉剪应力To因水流增强而很快消失。
综上所述,固体颗粒的推移、悬移及中性悬浮的运动规律不同,能量来源及消耗,以及对固体壁面的作用也不同。在实际应用中,浆体内的粒状物料组成多是不均匀的,使得浆体的运动阻力、能量转换和消耗规律变得相当复杂。这种浆体的运动通常可视为由细颗粒和水组成的均质浆液与大颗粒固体物料混合成的复合流,亦属于两相流范畴