壁效應(yīng)實(shí)例

如在填充床中，靠近壁面處的顆粒比主體區(qū)的顆粒裝填得疏松，相應(yīng)地靠近壁面處的空隙率比主體區(qū)為大。與裝填均勻的理想床層相比，當(dāng)通過床層單位截面的流量相同時(shí)，實(shí)際床層的阻力降比較小。這種現(xiàn)象稱為壁效應(yīng)。如填料塔中，填料與塔壁之間不能十分密貼，靠近壁面處的空隙率常較大，頂部的液體，在填料層中往下流動(dòng)的過程中便逐漸趨向于塔壁，并有部分順著壁面流下而不經(jīng)過填料層。壁流的產(chǎn)生不利于塔內(nèi)兩相的密切接觸，使傳遞系數(shù)降低。這稱為壁效應(yīng)。為了減小壁效應(yīng)，填料直徑與塔徑之比要小于1/10，填料層高度與直徑之比要小于5。2100433B

斜壁是指岸壁沒有垂直水面，而與水面成一定角度。主要包括以下兩種類型:

(1)航槽(canal)

航槽是寬度受到限制的可航水域，如運(yùn)河、人工水道或人工修繕的河道，用于航運(yùn)。航槽一般要通過人工修繕。航槽的幾何尺度包括有效寬度W(也稱為航道底寬)，航道水深h和航道截面積A等。

(2)受限航道(restricted channel)

受限航道是寬度和水深均受到限制的可航水域，如新開進(jìn)出港航道，從非受限淺水水域至港內(nèi)泊位之間的水深不足以通過大船時(shí)，一般要通過人工疏浚，開出一條或多條維持一定寬度和深度的航道，以供不同大小的船舶進(jìn)港使用。我國(guó)大部分海港都有這種人工航道。受限航道的幾何尺度包括有效寬度W，航道水深h，航道邊坡比1/n，航道邊坡高度hT和航道截面積A等。航道有效寬度是指航槽斷面通航水深處兩底邊線之間的寬度，一般用W表示。

當(dāng)船舶駛于海底沿船寬方向有明顯傾斜的淺水域時(shí)，船舶將因岸壁傾斜出現(xiàn)與受岸壁效應(yīng)的影響相類似的運(yùn)動(dòng)，即整體向水淺的一舷橫移，同時(shí)船首向水深的一舷轉(zhuǎn)頭，這是一種變形的岸壁效應(yīng)，即斜壁效應(yīng)。斜壁效應(yīng)是一種岸壁不垂直于水面的岸壁效應(yīng)。從本質(zhì)上說，也是由于船舶兩舷所受水動(dòng)力不平衡而造成的。

簡(jiǎn)介

船舶偏離航道中心線而靠近航道一側(cè)岸壁時(shí)，靠近岸壁的一側(cè)水流加速，壓力下降，產(chǎn)生使船舶靠近岸邊的附加作用力，即岸吸力，它可能導(dǎo)致船舶觸碰岸壁。同時(shí)還產(chǎn)生一個(gè)使船首偏離岸壁的力矩，即岸推力矩。岸吸力和岸推力矩通稱為“岸壁效應(yīng)”，它可能導(dǎo)致船尾碰岸壁，如圖1所示:

實(shí)際上，當(dāng)船舶航行在寬度受限的航道內(nèi)航行時(shí)，左右弦均受到岸壁的影響，因此岸壁對(duì)船舶的運(yùn)動(dòng)的影響可以分為兩種情況:一種是船舶航行在航道中心線的情況;另外一種是船舶偏離航道中心線而靠近一側(cè)岸壁的情況。

船舶在航道中心線航行時(shí)，與無限水域比較，由于水域?qū)挾仁芟?，船體周圍的流加速，壓強(qiáng)降低，阻力增大，船速降低。但是由于左右舷均受到岸壁的作用，兩者幾乎是對(duì)稱的，作用力相互抵消，則岸壁影響不至于使船舶發(fā)生岸壁效應(yīng)，如圖2所示。

當(dāng)深度和寬度同時(shí)受到限制時(shí)，將同時(shí)發(fā)生淺水效應(yīng)和岸壁效應(yīng)，這兩種效應(yīng)疊加，使岸壁效應(yīng)和淺水效應(yīng)更加嚴(yán)重，這種效應(yīng)稱為阻塞效應(yīng)。發(fā)生阻塞效應(yīng)時(shí)，由于船舶排開的水流空間受到限制，使相對(duì)流速更為增大，則岸壁效應(yīng)、船體下沉、船舶降速等現(xiàn)象更為劇烈。阻塞效應(yīng)與船舶橫截面積和航道橫截面積之比有關(guān)，該比值越大，阻塞效應(yīng)愈明顯。

理論及實(shí)驗(yàn)研究成果

在1950年以前，船舶在受限水域中的操縱性研究并沒有受到過多的重視，因此，該領(lǐng)域的成果大都集中在內(nèi)河船舶航行過程中阻力特性的變化。自此之后，受限水域從內(nèi)河擴(kuò)展到了海洋范圍，而受力的影響不毋究范圍也從阻力發(fā)展到了干涉力和力矩，其主要的計(jì)算方法為理論法和試驗(yàn)法。

國(guó)外學(xué)者Hess在做船舶航行至垂直岸壁附近時(shí)的受力方面的分析時(shí)歸納出了其橫向力計(jì)算的理論模型，并對(duì)船舶在無規(guī)則岸壁的非穩(wěn)性流體做實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，船首向與岸壁之間的夾角的不同的情況下，船舶受力與船速及離岸距離之間的量化公式。Yeung和Tan一起對(duì)基于障礙物格林方程算法計(jì)算船舶適航于復(fù)雜水域條件下的理論研究，得出較慢速度航行的船舶受周圍岸壁干涉力影響的表達(dá)式。Beck將勻速航行于方形截面航道中的船舶的受力問題用逐漸展開匹配的方法來計(jì)算，該方法成立的條件是:航道吃水小，易于簡(jiǎn)化解決方法;船舶的方形系數(shù)較小，船長(zhǎng)較長(zhǎng)，用源以及渦流強(qiáng)度表示下沉量，尾傾，橫向干涉力以及首搖力矩。Newman則對(duì)同類型船體的船舶做出了在平行岸壁間橫移情況下的計(jì)算與結(jié)論Beck Newman，和Tuck擴(kuò)展了他的研究在疏浚的航道，兩側(cè)都是淺水時(shí)的情況。Kaplan與Sankaranarayanan將多艘船舶與岸壁假定為平行的情況下，利用細(xì)長(zhǎng)體升力模型以及非定常流的Lagally定律分析受力，再利用船體形狀的三重積分的加權(quán)得到了最終結(jié)果。

六十年代之后，學(xué)者對(duì)海船在受限水域的操縱性問題有著大量的研究。

1971年，Eda在考慮了岸壁效應(yīng)的影響情況下，通過對(duì)25萬噸的油船船模實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，得出了在不同水深吃水比以及航道船寬比的情形下水動(dòng)力的導(dǎo)數(shù)。

P.W.Ch'ng在1993年基于對(duì)兩艘MarAd系列的船模以及一艘集裝箱的船模所進(jìn)行的試驗(yàn)，闡述了岸壁力以及力矩的計(jì)算公式。

2001年，Li等人對(duì)一艘雙體船船模，一艘渡船船模以及一艘油船船模進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，分析了船舶離岸距離，船速，螺旋槳作用力等因素對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的影響。

2003年Marc Vantorre等學(xué)者將三種船模置于不同的前進(jìn)速度，螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)，水深以及橫距的條件下沿著垂直岸壁平行行駛，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，提出對(duì)岸壁力進(jìn)行計(jì)算的新經(jīng)驗(yàn)公式。

而Event LATAIRE等學(xué)者在2007年基于進(jìn)行的大量船模試驗(yàn)，分析了岸壁的不同底部形狀對(duì)岸壁效應(yīng)所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而給出了岸壁能夠影響船舶水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)時(shí)的船岸之間最大距離公式。

影響岸壁效應(yīng)的因素

(1)船舶與岸壁之間的距離:一般來說，橫向力和首搖力矩隨著距離的減小而增大，但是距離很小時(shí)，首搖力矩可能會(huì)減小。

(2)前進(jìn)速度:橫向力和首搖力矩大致與前進(jìn)速度的平方成正比。特別是在淺水時(shí)，船速的影響更加明顯。

(3)水深與吃水比:當(dāng)h/d達(dá)到某一個(gè)臨界值，在1.1一1.25之間時(shí)，船舶將發(fā)生“岸吸”現(xiàn)象;當(dāng)h/d小于上述數(shù)值范圍時(shí)，船舶將發(fā)生“岸推”現(xiàn)象，且岸推力矩顯著增加。

(4)螺旋槳的作用:右舷螺旋槳正車時(shí)，船尾將發(fā)生“岸吸”現(xiàn)象;在h/d較小、螺旋槳轉(zhuǎn)速為零時(shí)，“岸吸”可能會(huì)變成“岸推”現(xiàn)象。

(5)岸壁兒何形狀的影響:試驗(yàn)表明，岸壁的坡度、淹沒率、穿透率等兒何參數(shù)對(duì)岸壁效應(yīng)的影響較大。

(6)航道的寬度:試驗(yàn)表明，.航道的寬度對(duì)岸壁效應(yīng)也有影響，航道越窄岸壁效應(yīng)越明顯。

壁效應(yīng)是指各類化工設(shè)備器壁的影響。這種影響主要是指靠近器壁的空間結(jié)構(gòu)與其他部分有很大差別，器壁處的流動(dòng)狀況、傳質(zhì)、傳熱狀況與主流體中也有很大差別。當(dāng)采用實(shí)驗(yàn)規(guī)模的小型設(shè)備研究傳質(zhì)、傳熱、反應(yīng)的規(guī)律時(shí)，器壁的影響遠(yuǎn)比大型設(shè)備為大。

壁效應(yīng)可根據(jù)對(duì)象分為：岸壁效應(yīng)、斜壁效應(yīng)、端壁效應(yīng)、附壁效應(yīng)等，其中岸壁效應(yīng)最為常見。

基于最小能量原理分析的豎壁溝流流動(dòng)模型，認(rèn)為當(dāng)壁面為存在接觸角滯后的非理想表面時(shí)，其控制方程的邊界條件與滯后接觸角有關(guān)，并分析了流量存在波動(dòng)時(shí)溝流厚度的波動(dòng)原因和范圍。實(shí)驗(yàn)研究了一些液體在不同表面上的溝流流動(dòng)，結(jié)果表明了溝流波動(dòng)與界面效應(yīng)有關(guān)的假設(shè)的合理性，溝流的實(shí)際厚度介于由滯后角限定的某一范圍內(nèi)，并且與溝流平均流量有關(guān)。若流率波動(dòng)未超出由滯后接觸角及溝流基礎(chǔ)流量限定的范圍時(shí)，溝流只在厚度方向發(fā)生波動(dòng)；若流率波動(dòng)超出這一范圍，則溝流在寬度方向也開始伸縮。

溝流溝流波動(dòng)產(chǎn)生的原因

Doniec假設(shè)的理想表面上，當(dāng)流率增加時(shí)，液體仍以最大厚度存在，只是在寬度加大，形成一定寬液膜。而當(dāng)流率減少時(shí)，液體以此最大厚度存在，只是在寬度上減小，直到流率小于臨界流率時(shí)，溝流發(fā)生斷裂。實(shí)際降液過程中，由于流量的波動(dòng)，在上述理想表面上，不考慮接觸角滯后的因素，最大厚度不發(fā)生變化，溝流寬度發(fā)生伸縮。但由于表面的非理想性，存在接觸角滯后，若流量的波動(dòng)未超過由滯后角限定的流量范圍，溝流在寬度方向不發(fā)生伸縮，而是在厚度方向上產(chǎn)生波動(dòng)。厚度在δmaxA與δmaxR之間。這一機(jī)理得到了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的佐證。水在有機(jī)涂膜表面上，同一位置，同一時(shí)刻，較小流量變化時(shí)的照片，水基礎(chǔ)流量適中，流量波動(dòng)未能引起溝流寬度方向的伸縮。

溝流波動(dòng)幅度分析

對(duì)于層流流動(dòng)，當(dāng)溝流截面形狀一定時(shí)，其流量一定；因而當(dāng)流量發(fā)生改變時(shí)，其截面形狀也隨之改變。在某一定流量基礎(chǔ)上，流量發(fā)生較小變化?Q，?Q為截面變化?S部分流量積分。由于接觸角滯后，溝流在流量發(fā)生變化時(shí)各點(diǎn)厚度也要相應(yīng)變化。溝流處于平衡狀態(tài)1時(shí)，邊界線上接觸角θ_Y；流量趨于增大時(shí)，首先邊界不發(fā)生移動(dòng)，即寬度不變，厚度開始增加接觸角經(jīng)歷θ_Y~θ_A之間的某一個(gè)θ，為狀態(tài)2；流量繼續(xù)趨于增大，邊界仍不發(fā)生移動(dòng)，接觸角增大到θ_A，厚度增加到最大，為狀態(tài)3；流量繼續(xù)趨于增大，這時(shí)保持邊界上接觸角為θ_A，溝流邊界開始移動(dòng)，為狀態(tài)4。流量減小時(shí)有類似的規(guī)律。

在相同基礎(chǔ)流量和流率波動(dòng)時(shí)，實(shí)測(cè)平均厚度δ_av均在前進(jìn)厚度與后退厚度之間，調(diào)整較大的流率波動(dòng)量，實(shí)驗(yàn)測(cè)定δ_A與預(yù)測(cè)值較為接近，δ_R較預(yù)測(cè)值略高，這是由于流量趨于減小過程不易調(diào)節(jié)，溝流容易斷裂，難以達(dá)到極限值。

溝流激光散斑照相分析溝流三維形態(tài)

以水為實(shí)驗(yàn)流體，固體壁面采用普通玻璃，所得為透射散斑。分析散斑形成可知，暗線或明線為某一等厚線，這些線條反映了液膜厚度分布。對(duì)比有流量波動(dòng)和無波動(dòng)照片可以看出，流量無波動(dòng)時(shí)，等厚線相互平行，且豎直向下，表明豎直方向上無波動(dòng)；流量較小波動(dòng)時(shí)，溝流寬度未變，但豎直方向上波動(dòng)形成曲線等厚線。

《石油名詞》第一版。

為了防止塌安全方，保證施工安全，在基坑開挖一定的深度后，土壁應(yīng)該做成有斜度的邊坡，或者加以臨時(shí)支撐來保持土壁的穩(wěn)定，臨時(shí)支撐即稱為土壁支護(hù)。