沙纹床面明渠层流稳定性特征的研究.pdfVIP

中国科学 E 辑 工程科学 材料科学 2005, 35(1): 53~73 53 沙纹床面明渠层流稳定性特征的研究* 白玉川 徐海珏 (天津大学河流海岸工程泥沙研究室, 天津 300072) 摘要 河流床面总是伴随有一定的形态, 如沙纹或沙垄等. 即使原始理想的平 整床面, 并保持水流运动的层流状态, 在流动开始后不久, 由于外界的扰动作用, 层流失稳, 床面也会出现沙纹. 而沙纹的出现, 又将进一步改变原始平整床面层 流失稳的“轨迹”. 床面沙纹的波状特征, 将诱发明渠层流新的不稳定性, 与平整 床面层流失稳相比, 两者存在本质的区别, 其稳定中性曲线前移, 失稳临界 Reynolds 数降低, 流动失稳过程中, 对扰动波数的响应范围加大, 层流失稳更容 易发生. 沙纹移动频率也会对流动失稳产生较大的影响, 动床明流失稳与定床明 流失稳有很大差别, 对此也做了研究. 关键词 沙纹床面 明渠 流动稳定性 河流的动力过程, 无论是河道本身的蠕动, 还是河床的短期形态变化, 都是 河流系统中水沙相互作用的结果. 水流塑造河床形态及河道型态(河型), 同时河 床形态与河道型态又深深地影响着水流运动的动力学轨迹, 它们之间是辨证的 统一, 随机中有确定性, 确定中又酝酿着不稳定. 如黄河是弱潮河流, 河流潮差 仅几十厘米, 潮区界仅30 余公里, 而在长达300 余公里的下游河道内发生一种类 似潮汐的周期性涨落现象, 在当地被称为“假潮”[1]. 这种“假潮”发生的实质就是 在冲积河流中, 在一定的水力要素作用下, 由于河流水流的不稳定性, 导致了床 面由平整状态发展到沙波状态, 床面阻力增加, 流速减小, 水位壅高, 水面势能 比降增大, 当比降达到一定程度时, 蓄泄变动区的水量迅速下泄, 流速逐渐增加, 削平河床沙波, 流量迅速增到最大, 水位回落到最低, 而后周而复始, 连续出 [1] 现 . 这一过程恰恰反映了水流决定河床形态 河床形态反过来影响水力要素的 自然现象, 两者相互作用, 相互制约, 是一典型的非线性动力过程. 河流, 即使是中小河流, 不管是丰水还是枯水时节, 其流态一般都是紊流. 2004-01- 17 收稿, 2004-08-28 收修改稿 *国家自然科学基金资助项目(批准号: SCIENCE IN CHINA Ser. E Engineering Materials Science 54 中国科学 E 辑 工程科学 材料科学 第35 卷 但是, 要进行河流动力学基本问题研究, 还必须从层流流动开始. 概要来说, 其 原因是河流与管流一样, 在中等Reynolds 数情况下, 总是存在两个性质截然不同 的区域: 床面边界层流层区域和湍流核心层区域.