河流动力学——第三章.ppt

河流动力学概论;整理课件;第三章 床面形态与水流阻力;河道水流的基本特性;河道水流的运动结构 ; 只有当河床上的床沙质是属于粗沙至粉沙范围内时(床沙粒径范围为2.0mm ~0.005mm)时，才会出现床面形态。 例如，在卵砾石河床一般不会出现床面形态。 (如何简易判别沙土与粘土？); 床面形态是沙质推移质运动过程中自然堆积形成的有规律形状。 从水体运动的角度看来，相当于在自由水面之外又增加了一个自由面，自由程度视床面的可动性而定。所以又将动床条件下的水流运动研究称为“松散边界水力学”(动床水力学)(Loose boundary hydraulics）;河床上的沙垄与沙漠里的沙丘不存在本质上的不同。;整理课件; 在沙漠中，随着气流运动的不同、沙粒运动条件的不同，可以出现多种多样的沙丘。;河流的床面形态 宏观上看，冲积河流河床上最大的形态是边滩(point bars)。它与河槽在平面上的摆动有关。;河流的床面形态;床面形态的研究方法： 1）用试验、观测等手段总结其发生规律， 2）用波动理论描述其形态规律， 3）用明渠水流的紊动结构来解释其生成的水动力学原因等。 床面形态的物理成因: 水流中的紊动结构和大尺度结构起着重要作用，具体表现为床面形态与水流流态有因果关系。床面形态还与水流阻力、床沙的物理组成（特别是粒径）和推移质泥沙的输运等问题密切联系在一起。;床面形态——沙纹(ripple); 平行于水流方向的形态包括大尺度的沙脊、微尺度的纵向条纹。沙脊、纵向条纹等一般与流动中稳定的二次流有密切联系。; 线状沙脊是广泛分布于潮控陆架上的巨大韵律性海底地形。有人认为潮流塑造了这种脊、槽相间的水下地形，将它们命名为潮流沙脊。也可以认为其形成与二次流有关。;动床床面形态与水流的流态;动床床面形态与水流的流态;动床床面形态的分类; 低能态流区(Lower flow regime) 的床面形态包括：沙纹(ripples)和沙垄(dunes)。 ;水槽试验中出现的带沙纹的沙垄;沙漠中出现的带沙纹的沙垄; 高能态流区 (upper flow regime)的床面形态包括：平整床面(plane bed)，逆行沙垄和驻波 (standing waves) 急滩与深潭 (Chutes and pools) ; 逆行沙波为什么会逆行：背水面受冲刷，泥沙淤积在下一个沙波的迎水面上。 这一过程持续进行，就造成了沙波形态向上游的逆行，而泥沙仍是向下游输运的。;缓流;水槽试验中：在同一条水槽内，通过改变水槽底坡和流量，可得到低能态、过渡、高能态等不同的流区以及床面形态。 天然情况下：一般是在河流的不同位置(山区、平原)出现不同的流区，也可能随着洪水过程而出现不同的流区以及床面形态。;床面形态的判别因素： 1）流态 2）泥沙颗粒的物理特性（如可动性）;沙波运动的判别参数;;3. Froude数 Froude数是明渠水流在某特定断面上的惯性作用与重力作用的对比，决定了水流的流态，流态又影响了沙波的形成和发展。只有在急流流态下，沙垄才向逆行沙垄过渡、发展，在判别沙垄向逆行沙垄过渡、发展的时候，它是一个常用的参数。 ;(一) 低水流能态区的判别准则：平整-沙纹-沙垄区 对于一般的明渠水流来说，超过某一粒径的泥沙颗粒即不会形成沙纹。由试验可知Re*大于11.7(即泥沙粒径超过粘性底层的厚度，床面不再是水力光滑)之后，就不再形成沙纹。(D/δ=Re*/11.6) 对于一般的明渠水流来说， 泥沙粒径超过0.6~0.7mm之后，沙纹将不出现，而是由平整床面直接过渡到沙垄。; Shields在1936年给出了用试验结果绘图表示的泥沙颗粒起动条件，并在同一张图中给出了各种床面形态出现的判别准则，用Shields数Θ和Re*两者的关系表达。; 法国的Chatou实验室对Shield的结果作了进一步补充，得到了较完整的平整-沙纹-沙垄区床面形态判别准则的图解。; 平整-沙纹-沙垄区床面形态判别准则图解也可用Re*与u*/ω两个参数之间的关系来点绘。(刘心宽);(二) 高水流能态区的判别准则：沙垄-平整（过渡 区）-逆行沙垄区;一、沙纹平均波长、波高与水流和泥沙条件的关系;二、沙垄平均波长、波高与水流和泥沙条件的关系;水流阻力： 概念：液体粘性及惯性对流动产生的阻力 实质：部分时均机械能转化为紊动能量而耗散 组成：?固壁的肤面摩擦 ?形状阻力（由床面形态、边界形态所引起的） ?能耗阻力 影响因素