基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征

范念念; 聂锐华; 杨克君; 刘兴年; 陈日东

doi:10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

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基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征

范念念, 聂锐华, 杨克君, 刘兴年, 陈日东

文章导航 > 水科学进展 > 2016 > 27(2): 249-255

范念念, 聂锐华, 杨克君, 刘兴年, 陈日东. 基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征[J]. 水科学进展, 2016, 27(2): 249-255. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

引用本文:

FAN Niannian, NIE Ruihua, YANG Kejun, LIU Xingnian, CHEN Ridong. Advection and diffusion characteristics for uniform bed load particles from a semi-mechanistic model accounting for forces exerted on individual particles[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(2): 249-255. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

Citation:

FAN Niannian, NIE Ruihua, YANG Kejun, LIU Xingnian, CHEN Ridong. Advection and diffusion characteristics for uniform bed load particles from a semi-mechanistic model accounting for forces exerted on individual particles[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(2): 249-255. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 四川成都 610065

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51509172;51539007)

详细信息

作者简介:
范念念(1988-),男,山东泰安人,讲师,博士,主要从事河流动力学和水文学的研究。E-mail:fannian7172@126.com

通讯作者:
陈日东,E-mail:chenridong1984@163.com

中图分类号: TV14

Advection and diffusion characteristics for uniform bed load particles from a semi-mechanistic model accounting for forces exerted on individual particles

State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China

摘要: 为揭示均匀推移质颗粒对流和扩散特性的控制因素,建立了间歇郎之万方程模型。该模型可在单颗粒尺度充分考虑颗粒的受力特性,模拟颗粒随机、间歇运动过程。通过该模型引入不同的停时分布,对模拟的大量单颗粒运动过程进行统计,从而研究均匀颗粒在大的时空尺度上的对流和扩散特征。结果表明,对于均匀颗粒,受颗粒速度分布的窄尾性限制,即便单步步长是长尾分布,也不一定产生超扩散,扩散特性由停时分布的尾部特征决定,不同分布的停时可导致欠扩散、超扩散和正常扩散。进一步与已有的、复杂程度不同的随机模型进行对比,表明忽略单步时间将影响颗粒的扩散(二阶)特性,但不影响颗粒的对流(一阶)特性,类似地可以推广到更普遍规律,即所研究随机发生的统计矩阶数越高,需要的模型越复杂。
- 推移质 /
- 郎之万方程 /
- 对流 /
- 扩散 /
- 长尾/窄尾 /
- 正常/反常
Abstract: An episodic Langevin equation, which could account for forces exerted on individual particles and simulate stochastic and episodic motion characteristics of particles, is developed in order to reveal the control factor of normal or anomalous advection and diffusion characteristics for uniform particles. Using a model embedded with different distributed resting times, we study advection and diffusion characteristics by analyzing the statistical data of a large number of simulated particle trajectories. The results reveal that for uniform particles, because of the constraint of thin-tailed velocities of active particles, super-diffusion does not necessarily occur, even if their step lengths are heavy tailed. Diffusion characteristics are determined by the tail of resting times; for heavy-tailed resting times, sub-, normal, and super diffusion could all occur. The proposed semi-mechanistic model is further compared with other stochastic models, and the step time is ignored as it could result in right advection but wrong diffusion characteristics, which could be generalized for studying stochastic variables, i. e., the higher the moment of the studied stochastic variables, the more complex the model.
- bed load /
- Langevin-equation /
- diffusion /
- advection /
- normal／anomalous /
- thin／heavy tailed

[1]	程海峰, 刘杰, 韩露, 王珍珍, 张国庆, 叶婷婷. 长江口泥沙运动形式分类及对深水航道淤积影响 . 水科学进展, 2022, 33(5): 754-765. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.05.006
[2]	陈永平, 陈雨航, 徐振山, EbenezerOtoo, 周安骐. 排海污水挟沙射流研究进展 . 水科学进展, 2022, 33(4): 671-682. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2022.04.014
[3]	晏自立, 徐元, 李丹勋. 推移质翻越低坝输移特性的试验研究 . 水科学进展, 2020, 31(3): 356-365. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2020.03.005
[4]	赵颖旺, 武强. 有限单元法模拟地下水流的水头反常现象——对流量计算的作用 . 水科学进展, 2018, 29(1): 50-56. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.01.006
[5]	徐元, 朱德军, 孟震, 李丹勋. 河床粗化过程中推移质输移特征试验研究 . 水科学进展, 2018, 29(3): 339-347. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2018.03.005
[6]	姚仕明, 王洪杨, 毛北平. 长江中游城汉河段推移质输沙率计算公式 . 水科学进展, 2017, 28(3): 329-337. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2017.03.002
[7]	王浩, 袁强, 孟震, 龚家国. 基于高速摄像技术的推移质运动特征试验 . 水科学进展, 2016, 27(6): 849-857. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.06.007
[8]	李志威, 王兆印, 李文哲, 张晨笛, 吕立群. 卵石沙洲发育与冲刷试验 . 水科学进展, 2014, 25(6): 797-805.
[9]	张磊, 钟德钰, 王光谦, 吴保生. 基于动理学理论的推移质输沙公式 . 水科学进展, 2013, 24(5): 692-698.
[10]	陆彦, 陆永军, 李寿千. 渗流边界上推移质输沙率 . 水科学进展, 2011, 22(2): 215-221.
[11]	周刚, 王虹, 邵学军, 假冬冬, 胡德超. 河型转化机理及其数值模拟——Ⅰ.模型建立 . 水科学进展, 2010, 21(2): 145-152.
[12]	段学花, 王兆印. 生物栖息地隔离对河流生态影响的试验研究 . 水科学进展, 2009, 20(1): 86-91.
[13]	顾杰, 黄静, 李志伟. 瞬时排放泥沙颗粒团在横流中对流扩散特性的实验研究 . 水科学进展, 2008, 19(4): 483-488.
[14]	陈静, 黄冠华, 黄权中. 一维均质与非均质土柱中溶质迁移的分数微分对流-弥散模拟 . 水科学进展, 2006, 17(3): 299-304.
[15]	刘春晶, 李丹勋, 曲兆松, 王兴奎. 过渡区动床明渠流的流速分布 . 水科学进展, 2006, 17(1): 49-54.
[16]	刘建国, 王洪涛, 聂永丰. 多孔介质中溶质有效扩散系数预测的分形模型 . 水科学进展, 2004, 15(4): 458-462.
[17]	杨具瑞, 方铎, 何文社, 刘兴年. 推移质输沙率的非线性研究 . 水科学进展, 2003, 14(1): 36-40.
[18]	刘青泉, 周济福, 舒安平. 床面附近泥沙运动的分析 . 水科学进展, 2003, 14(5): 569-575.
[19]	戴申生. 台湾水文科学进展 . 水科学进展, 1995, 6(2): 169-169.
[20]	郭俊克, 惠遇甲. Einstein床沙质输移理论的再研究——关于粗颗粒床沙质输沙率的计算 . 水科学进展, 1992, 3(1): 37-44.

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基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 四川成都 610065

基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51509172;51539007)

作者简介:
范念念(1988-),男,山东泰安人,讲师,博士,主要从事河流动力学和水文学的研究。E-mail:fannian7172@126.com

通讯作者: 陈日东,E-mail:chenridong1984@163.com

收稿日期: 2015-07-28
刊出日期: 2016-03-25

中图分类号: TV14

关键词:

推移质 /

郎之万方程 /

对流 /

扩散 /

长尾/窄尾 /

正常/反常

摘要: 为揭示均匀推移质颗粒对流和扩散特性的控制因素,建立了间歇郎之万方程模型。该模型可在单颗粒尺度充分考虑颗粒的受力特性,模拟颗粒随机、间歇运动过程。通过该模型引入不同的停时分布,对模拟的大量单颗粒运动过程进行统计,从而研究均匀颗粒在大的时空尺度上的对流和扩散特征。结果表明,对于均匀颗粒,受颗粒速度分布的窄尾性限制,即便单步步长是长尾分布,也不一定产生超扩散,扩散特性由停时分布的尾部特征决定,不同分布的停时可导致欠扩散、超扩散和正常扩散。进一步与已有的、复杂程度不同的随机模型进行对比,表明忽略单步时间将影响颗粒的扩散(二阶)特性,但不影响颗粒的对流(一阶)特性,类似地可以推广到更普遍规律,即所研究随机发生的统计矩阶数越高,需要的模型越复杂。

English Abstract

Advection and diffusion characteristics for uniform bed load particles from a semi-mechanistic model accounting for forces exerted on individual particles

State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China

Received Date: 2015-07-28
Publish Date: 2016-03-25

Keywords:

Abstract: An episodic Langevin equation, which could account for forces exerted on individual particles and simulate stochastic and episodic motion characteristics of particles, is developed in order to reveal the control factor of normal or anomalous advection and diffusion characteristics for uniform particles. Using a model embedded with different distributed resting times, we study advection and diffusion characteristics by analyzing the statistical data of a large number of simulated particle trajectories. The results reveal that for uniform particles, because of the constraint of thin-tailed velocities of active particles, super-diffusion does not necessarily occur, even if their step lengths are heavy tailed. Diffusion characteristics are determined by the tail of resting times; for heavy-tailed resting times, sub-, normal, and super diffusion could all occur. The proposed semi-mechanistic model is further compared with other stochastic models, and the step time is ignored as it could result in right advection but wrong diffusion characteristics, which could be generalized for studying stochastic variables, i. e., the higher the moment of the studied stochastic variables, the more complex the model.

引用本文:

Citation:

FAN Niannian, NIE Ruihua, YANG Kejun, LIU Xingnian, CHEN Ridong. Advection and diffusion characteristics for uniform bed load particles from a semi-mechanistic model accounting for forces exerted on individual particles[J]. Advances in Water Science, 2016, 27(2): 249-255. doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

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基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

作者简介: 范念念(1988-),男,山东泰安人,讲师,博士,主要从事河流动力学和水文学的研究。E-mail:fannian7172@126.com

通讯作者: 陈日东,E-mail:chenridong1984@163.com

Advection and diffusion characteristics for uniform bed load particles from a semi-mechanistic model accounting for forces exerted on individual particles

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基于单颗粒受力的均匀推移质颗粒对流和扩散特征

doi: 10.14042/j.cnki.32.1309.2016.02.010

四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 四川成都 610065

作者简介: 范念念(1988-),男,山东泰安人,讲师,博士,主要从事河流动力学和水文学的研究。E-mail:fannian7172@126.com

通讯作者: 陈日东,E-mail:chenridong1984@163.com

English Abstract

Advection and diffusion characteristics for uniform bed load particles from a semi-mechanistic model accounting for forces exerted on individual particles

State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China

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作者简介:
范念念(1988-),男,山东泰安人,讲师,博士,主要从事河流动力学和水文学的研究。E-mail:fannian7172@126.com

通讯作者:
陈日东,E-mail:chenridong1984@163.com

作者简介:
范念念(1988-),男,山东泰安人,讲师,博士,主要从事河流动力学和水文学的研究。E-mail:fannian7172@126.com