河流動力學三教案課件

會計學1河流動力學三第1頁/共44頁會計學1河流動力學三第1頁/共44頁有關泥沙運動的一些基本概念第一3、表示泥沙起動條件的除起動流速外，還有一個常用指標：起動拖曳力（歐美應用較多），即泥沙開始起動時床面底部水流的切應力。第2頁/共44頁有關泥沙運動的一些基本概念第一3、表示泥沙起動泥沙起動的隨機性和起動判別標準第一1、泥沙起動的隨機性泥沙顆粒大小、形狀的隨機性泥沙顆粒所處位置的隨機性流速和拖曳力的隨機性2、泥沙起動的判別標準弱動中動普動第3頁/共44頁泥沙起動的隨機性和起動判別標準第一1、泥沙起動的隨

當水流經(jīng)過有松散泥沙顆粒組成的河床時，床面上的沙粒將承受拖曳力和上舉力。對于很細的顆粒來說，抗拒水流作用力的除了泥沙顆粒的重力之外，還有相鄰顆粒之間粘結力。粗顆粒泥沙的起動時的受力情況和細顆粒的泥沙有很大的不同床面泥沙顆粒的受力情況第4頁/共44頁當水流經(jīng)過有松散泥沙顆粒組成的河床時，床床面泥沙顆粒的受力情況分析和起動條件第5頁/共44頁床面泥沙顆粒的受力情況分析和起動條件第5頁/共44頁均勻沙散粒體及粘性泥沙的統(tǒng)一起動流速公式

第一1、張瑞瑾公式第6頁/共44頁均勻沙散粒體及粘性泥沙的統(tǒng)一起動流速公式

第一1、張瑞瑾第7頁/共44頁第7頁/共44頁第8頁/共44頁第8頁/共44頁取作用流速的特征高度y=ad，a為系數(shù)。將作用臨界流速轉化為垂線平均臨界流速Uc長度和時間單位分別用m，s第9頁/共44頁取作用流速的特征高度y=ad，a為系數(shù)。將作用臨界流速轉化2、唐存本公式第10頁/共44頁2、唐存本公式第10頁/共44頁第11頁/共44頁第11頁/共44頁唐存本結論第12頁/共44頁唐存本結論第12頁/共44頁2、唐存本公式與粒徑，干密度有關第13頁/共44頁2、唐存本公式與粒徑，干密度有關第13頁/共3、竇國仁公式第14頁/共44頁3、竇國仁公式第14頁/共44頁第15頁/共44頁第15頁/共44頁第16頁/共44頁第16頁/共44頁0.17mm唐存本公式竇國仁公式張瑞瑾公式起動流速公式與實測資料的對照第17頁/共44頁0.17mm唐存本公式竇國仁公式張瑞瑾公式起動流速公式與實測均勻非粘性泥沙的起動流速公式沙莫夫公式岡恰洛夫公式張瑞瑾公式第18頁/共44頁均勻非粘性泥沙的起動流速公式沙莫夫公式岡恰洛夫公式張瑞瑾公式均勻沙散粒體及粘性泥沙的起動拖曳力公式希爾茲起動拖曳力公式第19頁/共44頁均勻沙散粒體及粘性泥沙的起動拖曳力公式第19頁/共44頁第20頁/共44頁第20頁/共44頁啟動條件表達方式的比較從促使泥沙運動的動力來考慮1940年懷特做過這樣的研究，設計了特殊水槽，水槽中的拖曳力沿程不變而流速沿程變化，兩組實驗發(fā)現(xiàn)，泥沙起動在全試驗段發(fā)生。說明，水流拖曳力是泥沙起動的直接原因。第21頁/共44頁啟動條件表達方式的比較從促使泥沙運動的動力來考慮第21頁/共啟動條件表達方式的比較從床面紊動的影響考慮萊爾斯曾在四種不同粗糙度的床面上進行過實驗考慮到紊動對泥沙起動的影響，起動拖曳力作為臨界指標優(yōu)于起動流速第22頁/共44頁啟動條件表達方式的比較從床面紊動的影響考慮考慮到紊動對泥沙起泥沙顆粒的幾種運動方式床面泥沙顆粒的不同位置第23頁/共44頁泥沙顆粒的幾種運動方式床面泥沙顆粒的不同位置第23頁/共44接觸質顆粒突出，受到的拖曳力比較大，多以滑動方式起動，啟動后往往改為滾動，在運動過程中經(jīng)常與河床保持接觸。第24頁/共44頁第24頁/共44頁躍移質位于成排沙粒前緣的顆粒，易在上舉力和拖曳力的力矩作用下滾動，遇到下圖的（b）位置，上舉力會突然增大，泥沙顆粒躍起。第25頁/共44頁第25頁/共44頁流速逐漸增大第26頁/共44頁流速逐漸增大第26頁/共44頁懸移質

漩渦帶動泥沙顆粒在水中懸浮前進。層移質成層運動的泥沙顆粒較少使用第27頁/共44頁懸移質

漩渦帶動泥沙顆粒在水中懸浮前進。層移質第27頁/按運動形式及性質劃分推移質（水流勢能）懸移質（紊動能）按來源和造床作用劃分床沙質（交換）沖瀉質（下瀉）第28頁/共44頁按運動形式及性質劃分推移質（水流勢能）按來源和造床作用劃分床思考題你對幾個粘性均勻沙起動流速公式作何評價？

第29頁/共44頁思考題你對幾個粘性均勻沙起動流速公式作何評價？第29頁/共4泥沙的起動：泥沙起動中存在的問題

由于泥沙顆粒處于床面的位置及作用在顆粒上的水流速度等是隨機的，故泥沙起動具有隨機性。最早將起動作為一個隨機事件進行研究的是Einstein(1950)。在此之前，通常以臨界起動無因次切應力Θc或臨界起動流速Vc作為判別床面泥沙起動的標準，并將起動現(xiàn)象作為一個確定性的問題來研究。當水流拖曳力或水流流速大于臨界拖曳力或臨界起動流速時，床面上的泥沙顆粒將起動，從起動的平均情況來說，這是正確的。但進一步的研究表明，在水流小于起動臨界條件時，床面上就有泥沙起動；而在水流大于起動臨界條件時，床面上還存在沒有起動的泥沙，這是因為上述確定性處理方法將起動問題作為一個必然事件來研究，實際上床面泥沙起動是隨機的。

泥沙起動是泥沙運動理論中最基本的問題之一，也是研究工程泥沙問題時首先遇到的問題。早在19世紀就提出了泥沙起動的概念，20世紀初開始了系統(tǒng)的研究，至今仍在繼續(xù)。第30頁/共44頁泥沙的起動：泥沙起動中存在的問題

由于泥沙顆粒處于床面的位置

泥沙的起動，一般可分為二種狀態(tài)，即將動未動、少量動和普遍動。第一種狀態(tài)是指床面泥沙除個別凸出顆粒可動外，基本不動，這時的脈動流速應為其最大值。脈動流速符合正態(tài)分布，其三倍的均方根值即為實際上可能出現(xiàn)的最大脈動流速，其發(fā)生機率僅為0.00135。第一種起動狀態(tài)是指床面上的泥沙，時而這個部位起動，時而那個部位起動，經(jīng)常能觀察到有少量顆粒起動，這時的脈動流速可視為其二倍的均方根值，其發(fā)生頻率為0.0228。在第三種起動狀態(tài)下床面上各部位的泥沙并不是同時起動而是有先有后，但在一定觀察時段內(nèi)在床面上各部位均能看到泥沙顆粒的運動，這時的脈動流速可視為等于其均方根值，其發(fā)生機率己達0.159。在這二種水流狀態(tài)下，(9)式左邊的瞬時流速分別為第31頁/共44頁泥沙的起動，一般可分為二種狀態(tài)，即將動未動、少量動和普遍動

所謂泥沙起動流速，是指床面泥沙開始移動時的水流流速而言.這個概念是首先由沙任(1871年)，繼而由艾里(1885年)提出的.考慮到床面沙粒受水流的推移作用與流速平方成正比，沙粒在水中的重量與粒徑的立方成正此，艾里得到了起動流速與沙粒直徑平方根成正此的規(guī)律，應當指出，雖然這個關系式是根據(jù)極其簡單的受力情況得到的，然而它還能夠反映出粗沙及卵石起動的大致規(guī)律來，因此它在目前還具有某種意義。第32頁/共44頁所謂泥沙起動流速，是指床面泥沙開始移動時的水流流速而言.這

對于較粗顆粒的泥沙，都是以單顆粒形式起動;對于較細顆粒的泥沙，由于粘結力和水流脈動(“掃蕩”)的影響，往往以數(shù)十個或數(shù)白個顆粒組成的群體形式起動，起動后仍以單顆粒形式在水流中運動，只是在床面上留下片狀痕跡。自由沉降于床面上的顆粒群體，在其起動時所受到的各種作用力均較單顆粒時按相應倍數(shù)增大，因而在討論力或力矩的平衡時仍可按單顆粒處理。泥沙顆粒并不是球體，顆粒愈細偏離愈大，但仍可按球體處理，對其所引起的偏差可在確定經(jīng)驗系數(shù)時給予間接考慮。第33頁/共44頁對于較粗顆粒的泥沙，都是以單顆粒形式起動;對于較細顆粒的泥

顆粒間存在著吸力。對于略大的顆粒，其吸力遠小于顆粒的重力，從而表現(xiàn)為無粘性顆粒。對于細顆粒，此吸力遠大于顆粒的重力，成為粘結力。粘結力的大小，除與司’一物性質等物理和化學因素有關外，還與顆粒大小有關。對于粒徑分別為d，和d:的兩個球體間的粘結力，從理論上可以得出其值與兩個粒徑乘積的平方根成i1比/z}。另一方面又與兩個顆粒的間距成反比，即與顆粒密實程度有關。顆粒愈密實，顆粒間的間距就會小，從而粘結力也就愈大。試驗資料表明，此粘結力F,可表述為第34頁/共44頁顆粒間存在著吸力。對于略大的顆粒，其吸力遠小于顆粒的重力，

在泥沙顆粒周圍有水膜環(huán)繞，其最貼近顆粒表面的薄膜水，是非自由水，具有某種固體性質，其壓力傳遞不符合巴斯克爾定律，因而在兩顆粒接觸面積上受到上邊水柱壓力的作用。作者于1958年通過交義石英茲試驗首次證實了此力的存在[’]，萬兆惠等[3]于1990年通過竹道加壓試驗證實了此力對細顆粒泥沙起動的顯著影響。因而在研究泥沙起動問題時需要考慮水柱的壓力。設兩顆粒間承受水柱壓力的厚度為26,顆粒直徑均為d，則承受水柱壓力的面積味為}r}b,6是薄膜水厚度和粒徑的函數(shù)。試驗表明，隨著顆粒的減小，水柱壓力的影響急劇增大，呈非線性關系，因此假定6值與薄膜水厚度的3/2次方成}}比，與粒徑的1/2次方成反比，即。=cS}d-抓其中。為薄膜水厚度參數(shù)，具有長度量綱。水柱壓力也與粘結力一樣，都與床面顆粒密實程度有關，即與床面泥沙的十容重有關。因此水柱對床面泥沙顆粒的壓力F}可表述為：第35頁/共44頁在泥沙顆粒周圍有水膜環(huán)繞，其最貼近顆粒表面的薄膜水，是非自第36頁/共44頁第36頁/共44頁第37頁/共44頁第37頁/共44頁第38頁/共44頁第38頁/共44頁題目第1第2第3第4第一第39頁/共44頁題目第1第2第3第4第一第39頁/共44頁

當水流經(jīng)過有松散泥沙顆粒組成的河床時，床面上的沙粒將承受拖曳力和上舉力。對于很細的顆粒來說，抗拒水流作用力的除了泥沙顆粒的重力之外，還有相鄰顆粒之間粘結力。粗顆粒泥沙的起動時的受力情況和細顆粒的泥沙有很大的不同床面泥沙顆粒的受力情況第40頁/共44頁當水流經(jīng)過有松散泥沙顆粒組成的河床時，床第41頁/共44頁第41頁/共44頁2、唐存本公式與粒徑，干密度有關第42頁/共44頁2、唐存本公式與粒徑，干密度有關第42頁/共第43頁/共44頁第43頁/共44頁第44頁/共44頁第44頁/共44頁會計學45河流動力學三第1頁/共44頁會計學1河流動力學三第1頁/共44頁有關泥沙運動的一些基本概念第一3、表示泥沙起動條件的除起動流速外，還有一個常用指標：起動拖曳力（歐美應用較多），即泥沙開始起動時床面底部水流的切應力。第2頁/共44頁有關泥沙運動的一些基本概念第一3、表示泥沙起動泥沙起動的隨機性和起動判別標準第一1、泥沙起動的隨機性泥沙顆粒大小、形狀的隨機性泥沙顆粒所處位置的隨機性流速和拖曳力的隨機性2、泥沙起動的判別標準弱動中動普動第3頁/共44頁泥沙起動的隨機性和起動判別標準第一1、泥沙起動的隨

當水流經(jīng)過有松散泥沙顆粒組成的河床時，床面上的沙粒將承受拖曳力和上舉力。對于很細的顆粒來說，抗拒水流作用力的除了泥沙顆粒的重力之外，還有相鄰顆粒之間粘結力。粗顆粒泥沙的起動時的受力情況和細顆粒的泥沙有很大的不同床面泥沙顆粒的受力情況第4頁/共44頁當水流經(jīng)過有松散泥沙顆粒組成的河床時，床床面泥沙顆粒的受力情況分析和起動條件第5頁/共44頁床面泥沙顆粒的受力情況分析和起動條件第5頁/共44頁均勻沙散粒體及粘性泥沙的統(tǒng)一起動流速公式

第一1、張瑞瑾公式第6頁/共44頁均勻沙散粒體及粘性泥沙的統(tǒng)一起動流速公式

第一1、張瑞瑾第7頁/共44頁第7頁/共44頁第8頁/共44頁第8頁/共44頁取作用流速的特征高度y=ad，a為系數(shù)。將作用臨界流速轉化為垂線平均臨界流速Uc長度和時間單位分別用m，s第9頁/共44頁取作用流速的特征高度y=ad，a為系數(shù)。將作用臨界流速轉化2、唐存本公式第10頁/共44頁2、唐存本公式第10頁/共44頁第11頁/共44頁第11頁/共44頁唐存本結論第12頁/共44頁唐存本結論第12頁/共44頁2、唐存本公式與粒徑，干密度有關第13頁/共44頁2、唐存本公式與粒徑，干密度有關第13頁/共3、竇國仁公式第14頁/共44頁3、竇國仁公式第14頁/共44頁第15頁/共44頁第15頁/共44頁第16頁/共44頁第16頁/共44頁0.17mm唐存本公式竇國仁公式張瑞瑾公式起動流速公式與實測資料的對照第17頁/共44頁0.17mm唐存本公式竇國仁公式張瑞瑾公式起動流速公式與實測均勻非粘性泥沙的起動流速公式沙莫夫公式岡恰洛夫公式張瑞瑾公式第18頁/共44頁均勻非粘性泥沙的起動流速公式沙莫夫公式岡恰洛夫公式張瑞瑾公式均勻沙散粒體及粘性泥沙的起動拖曳力公式希爾茲起動拖曳力公式第19頁/共44頁均勻沙散粒體及粘性泥沙的起動拖曳力公式第19頁/共44頁第20頁/共44頁第20頁/共44頁啟動條件表達方式的比較從促使泥沙運動的動力來考慮1940年懷特做過這樣的研究，設計了特殊水槽，水槽中的拖曳力沿程不變而流速沿程變化，兩組實驗發(fā)現(xiàn)，泥沙起動在全試驗段發(fā)生。說明，水流拖曳力是泥沙起動的直接原因。第21頁/共44頁啟動條件表達方式的比較從促使泥沙運動的動力來考慮第21頁/共啟動條件表達方式的比較從床面紊動的影響考慮萊爾斯曾在四種不同粗糙度的床面上進行過實驗考慮到紊動對泥沙起動的影響，起動拖曳力作為臨界指標優(yōu)于起動流速第22頁/共44頁啟動條件表達方式的比較從床面紊動的影響考慮考慮到紊動對泥沙起泥沙顆粒的幾種運動方式床面泥沙顆粒的不同位置第23頁/共44頁泥沙顆粒的幾種運動方式床面泥沙顆粒的不同位置第23頁/共44接觸質顆粒突出，受到的拖曳力比較大，多以滑動方式起動，啟動后往往改為滾動，在運動過程中經(jīng)常與河床保持接觸。第24頁/共44頁第24頁/共44頁躍移質位于成排沙粒前緣的顆粒，易在上舉力和拖曳力的力矩作用下滾動，遇到下圖的（b）位置，上舉力會突然增大，泥沙顆粒躍起。第25頁/共44頁第25頁/共44頁流速逐漸增大第26頁/共44頁流速逐漸增大第26頁/共44頁懸移質

漩渦帶動泥沙顆粒在水中懸浮前進。層移質成層運動的泥沙顆粒較少使用第27頁/共44頁懸移質

漩渦帶動泥沙顆粒在水中懸浮前進。層移質第27頁/按運動形式及性質劃分推移質（水流勢能）懸移質（紊動能）按來源和造床作用劃分床沙質（交換）沖瀉質（下瀉）第28頁/共44頁按運動形式及性質劃分推移質（水流勢能）按來源和造床作用劃分床思考題你對幾個粘性均勻沙起動流速公式作何評價？

第29頁/共44頁思考題你對幾個粘性均勻沙起動流速公式作何評價？第29頁/共4泥沙的起動：泥沙起動中存在的問題

由于泥沙顆粒處于床面的位置及作用在顆粒上的水流速度等是隨機的，故泥沙起動具有隨機性。最早將起動作為一個隨機事件進行研究的是Einstein(1950)。在此之前，通常以臨界起動無因次切應力Θc或臨界起動流速Vc作為判別床面泥沙起動的標準，并將起動現(xiàn)象作為一個確定性的問題來研究。當水流拖曳力或水流流速大于臨界拖曳力或臨界起動流速時，床面上的泥沙顆粒將起動，從起動的平均情況來說，這是正確的。但進一步的研究表明，在水流小于起動臨界條件時，床面上就有泥沙起動；而在水流大于起動臨界條件時，床面上還存在沒有起動的泥沙，這是因為上述確定性處理方法將起動問題作為一個必然事件來研究，實際上床面泥沙起動是隨機的。

泥沙起動是泥沙運動理論中最基本的問題之一，也是研究工程泥沙問題時首先遇到的問題。早在19世紀就提出了泥沙起動的概念，20世紀初開始了系統(tǒng)的研究，至今仍在繼續(xù)。第30頁/共44頁泥沙的起動：泥沙起動中存在的問題

由于泥沙顆粒處于床面的位置

泥沙的起動，一般可分為二種狀態(tài)，即將動未動、少量動和普遍動。第一種狀態(tài)是指床面泥沙除個別凸出顆?？蓜油猓静粍?，這時的脈動流速應為其最大值。脈動流速符合正態(tài)分布，其三倍的均方根值即為實際上可能出現(xiàn)的最大脈動流速，其發(fā)生機率僅為0.00135。第一種起動狀態(tài)是指床面上的泥沙，時而這個部位起動，時而那個部位起動，經(jīng)常能觀察到有少量顆粒起動，這時的脈動流速可視為其二倍的均方根值，其發(fā)生頻率為0.0228。在第三種起動狀態(tài)下床面上各部位的泥沙并不是同時起動而是有先有后，但在一定觀察時段內(nèi)在床面上各部位均能看到泥沙顆粒的運動，這時的脈動流速可視為等于其均方根值，其發(fā)生機率己達0.159。在這二種水流狀態(tài)下，(9)式左邊的瞬時流速分別為第31頁/共44頁泥沙的起動，一般可分為二種狀態(tài)，即將動未動、少量動和普遍動

所謂泥沙起動流速，是指床面泥沙開始移動時的水流流速而言.這個概念是首先由沙任(1871年)，繼而由艾里(1885年)提出的.考慮到床面沙粒受水流的推移作用與流速平方成正比，沙粒在水中的重量與粒徑的立方成正此，艾里得到了起動流速與沙粒直徑平方根成正此的規(guī)律，應當指出，雖然這個關系式是根據(jù)極其簡單的受力情況得到的，然而它還能夠反映出粗沙及卵石起動的大致規(guī)律來，因此它在目前還具有某種意義。第32頁/共44頁所謂泥沙起動流速，是指床面泥沙開始移動時的水流流速而言.這

對于較粗顆粒的泥沙，都是以單顆粒形式起動;對于較細顆粒的泥沙，由于粘結力和水流脈動(“掃蕩”)的影響，往往以數(shù)十個或數(shù)白個顆粒組成的群體形式起動，起動后仍以單顆粒形式在水流中運動，只是在床面上留下片狀痕跡。自由沉降于床面上的顆粒群體，在其起動時所受到的各種作用力均較單顆粒時按相應倍數(shù)增大，因而在討論力或力矩的平衡時仍可按單顆粒處理。泥沙顆粒并不是球體，顆粒愈細偏離愈大，但仍可按球體處理，對其所引起的偏差可在確定經(jīng)驗系數(shù)時給予間接考慮。第33頁/共44頁對于較粗顆粒的泥沙，都是以單顆粒形式起動;對于較細顆粒的泥

顆粒間存在著吸力。對于略大的顆粒，其吸力遠小于顆粒的重力，從而表現(xiàn)為無粘性顆粒。對于細顆粒，此吸力遠大于顆粒的重力，成為粘結力。粘結力的大小，除與司’一物性質等物理和化學因素有關外，還與顆粒大小有關。對于粒徑分別為d，和d:的兩個球體間的粘結力，從理論上可以得出其值與兩個粒徑乘積的平方根成i1比/z}。另一方面又與兩個顆粒的間距成反比，即與顆粒密實程度有關。顆粒愈密實，顆粒間的間距就會小，從而粘結力也就愈大。試驗資料表明，此粘結力F,可表述為