河流动力学复习整理

（0）河流动力学概念:研究冲积河流在自然状态下以及受人工建筑物影响以后河道水流、泥沙运动规律和河床演变规律及其应用的学科。主要研究内容:水流结构：研究水流内部运动特征及运动要素的空间分布;泥沙运动：研究泥沙冲刷、搬运和堆积的机理;河床演变：研究河流的河床形态、演变规律以及人为干扰引起的再造床过程;河床变形预测：研究预测水流、泥沙运动及河床冲淤演变的方法.研究方法:理论分析,室内试验,现场观测，数值计算（1）河道水流的基本特性：河道水流的二相特性；河道水流的三维性；河道水流的不恒定性；河道水流的不均匀性河道水流的水流结构：主流，副流，环流二维明渠流速的分布规律：1.直线层，也成粘滞底层，切应力只有粘滞切力，流速按直线分布2.过渡层，粘滞切力与紊动切力同时存在，流动是层流和紊流的过渡区，该层没有统一的流速分布公式，近似按直线层或对数层公式计算3.对数层，切应力主要是紊动切应力，流速按对数分布4外层区.在对数层以上到水面的区间，切力主要是紊动力，流速分布常以缺速公式表示，故也称缺速区。流速分布要受上部边界影响，与边壁糙率也有一定关系。河道水流阻力分解图：见ppt176页明渠二维流的阻力损失表达方式：见ppt177页（3）按运动状态分，泥沙的运动形式有：（床沙），推移质、悬移质泥沙交换现象：推移质泥沙运动特点：间歇性、置换性、速度小、跳跃性、数量少、消耗时均能量悬移质泥沙运动特点：速度大、悬浮性、置换性、数量多、消耗紊动能冲泄质：河流挟带的泥沙中粒径较细的部分，且在河床中数量很少或基本不存在的泥沙。床沙质：河流挟带的泥沙中粒径较粗的部分，且在河床中大量存在的泥沙。两者主要区别：1.前者是非造床质泥沙，后者是造床质。2.前者粒径较小，后者粒径较大3.前者在水流中的含量不仅取决于水流条件，还与河段上游流域供沙条件有关。推移质~悬移质与床沙质~冲泄质命名的区别：前者按运动方式分；后者按造床作用、颗粒大小和泥沙来源分。异重流：两种或两种以上的流体相互接触，而流体间有一定的但是较小的重度（密度）差异，如果其中一种流体沿着交界面的方向流动，在流动过程中不与其它流体发生全局性的掺混现象的运动。异重流主要特征：（1）异重流的重度差很小，重力作用小，惯性作用大（2）具有翻越障碍以及爬高的能力（5）泥沙悬浮机理：含沙量具有上稀下浓的沿垂线梯度。泥沙悬浮扩散理论：基于泥沙颗粒在紊流中随机运动来求解泥沙浓度垂向分布的理论重力理论：挟带悬移质的水流在运动过程中要消耗能量。所消耗能量分为两部分，一部分用于克服边界的阻力；另一部分用于维持悬移质的悬浮。重力理论的观点认为，悬移质的比重一般比水大得多，要使它在水里不下沉，水流必须对它做功以维持悬浮，即水流必须为此而消耗能量。推求悬移质含沙量沿垂线分布规律有哪些方法：1.Rouse公式2.张瑞瑾公式3重力理论——维利卡诺夫公。.Rouse方程及其中悬浮指标Z的意义和如何计算：zaahayyhSS，kUz，实际代表了重力作用与紊动扩散作用的相互关系Rouse公式主要缺点：计算得到的水面含沙量恒等于零，床面含沙量为无穷。含沙量几种不同的表达方式:流量平均含沙量；面积平均含沙量悬移质输沙率：一定的水流与河床组成条件下，水流在单位时间内所能挟带并通过河段下泄的悬移质中床沙质的数量。水流挟沙力：是指在一定水流、泥沙及边界条件下，水流所能挟带的包括推移质和悬移质在内的全部沙量。如何用爱因斯坦公式计算悬移质泥沙输沙率：21'2.30lg303.26.11IIkhaSUgsvass用爱因斯坦公式计算挟沙力：213ssbgDgppt5102页（6）河床演变定义及其根本性原因是：自然条件及人类活动影响下河床所发生的变化过程；输沙不平衡河床调节作用：调整方向是从输沙不平衡向平衡的方向发展，通过改变河宽、水深、比降、床沙组成使挟沙力与来沙相适应。河床演变的基本规律：一般演变：1、平面变化：蜿蜒曲折的程度不断加剧，河长增加，曲折系数加大。2、横向变化：表现为凹岸崩退，凸岸淤长。3、纵向变化：弯道段洪水期冲刷而枯水期淤积，过渡段则相反；突变：包括自然裁弯，撇弯和切滩等类型。影响河床演变的主要因素：1.来水量及其变化过程2.来沙量、来沙组成及其变化过程3.河段出口处的侵蚀基点高程，即河段的比降4.河床周界条件，即河段所在区域的地貌条件。河相关系：能够自由发展的冲积平原河流的河床，在水流的长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡的河床形态，在这种均衡状态的有关因子（如水深、河宽、比降等）和表达来水来沙条件（如流量、含沙量、泥沙粒径等）及河床地质条件的特征物理量之间，常存在某种函数关系，这种函数关系称为河相关系或均衡关系。造床流量：造床作用与多年流量过程的综合作用相当的某一种流量。实际工作中造床流量如何确定：1.马卡维也夫法2.平滩水位法3.采用某一频率或重现期的流量作为造床流量4.有效输沙流量法河床稳定性指标有哪些?主要取决于什么？河弯的形态有哪些：第2章泥沙的一般特性1、河流泥沙的最根本来源是什么？河流泥沙的最根本来源是岩石的风化2、形成泥沙主要风化类型是什么？•风化种类：物理风化：岩石在原地发生的崩解化学风化：岩石发生的蚀变（溶解、水解、碳酸盐化）生物风化：3、泥沙粒径的常用表示计算方法是什么？等容粒径:筛分粒径沉降粒径4、级配曲线及其粒径分布特征值有哪些？粒径分布的特征值上限粒径——在总沙样中占某重量百分数的泥沙的上限粒径。如D5,D10,D50等等。D50——中值粒径，小于该粒径和大于该粒径的泥沙颗粒各占50%。Dm——平均粒径，即各粒径组平均粒径的重量百分比的加权平均值。Dmg——几何平均粒径，即粒径取对数后进行平均运算，最终求得的平均粒径值称为几何平均粒径。反映沙样的代表粒径均方差s：表示泥沙组成的非均匀程度,＝0均匀，越大越不均匀，反映沙样粒径的变化范围大小。5、影响泥沙的干容重有哪些主要因素？⑴泥沙颗粒大小的影响：颗粒越大，gs’越大，变化范围小；颗粒越小，gs’越小，变化范围大。⑵泥沙淤积厚度的影响：淤积越厚，gs’越大，变化范围越小；淤积越浅，gs’越小，变化范围越大。⑶泥沙淤积历时的影响：沉积越短，gs’越小；沉积越长，gs’越大，然后趋于稳定值；大颗粒稳定历时短，细颗粒稳定历时长。⑷泥沙组成的影响：组成越均匀，孔隙率越大，gs’越小；组成越不均匀，孔隙率越小，gs’越大。6、什么是泥沙的沉速？泥沙沉降有哪几种运动形式？所谓泥沙的沉降速度:一般都是指达到等速运动以后的下沉速度。当Red较小时，颗粒沉降属于层流状态当Red较大时，颗粒沉降属于过度状态当Red很大时，颗粒沉降属于紊流状态第4章泥沙的推移质运动1、泥沙的起动条件有哪些？起动流速和起动拖曳力如何计算？泥沙的起动条件：泥沙颗粒由静止状态转为运动状态时的临界水流条件。起动条件可以用流速、拖曳力和功率来表示。Einstein统一流速公式⑴沙莫夫公式⑵岗恰洛夫公式（3）巴芬顿(Buffington)(1998)：（天然沙）gDkRUsscc)27.12lg(75.56/13/16/14.61.65)0.2mmsm,(144.1hDUDDhgDUcssc＝对于天然沙：制，)mm5.1~08.0,sm,(8.8lg07.195DgDDhUsc制gDDRUc)27.12lg()79.1~28.1(95起动拖应力①、曲线为马鞍形，在附近，亦即近壁层流层厚度与床沙粒径接近时，泥沙最容易起动，此时有此即曲线的最低点②、床面处于光滑区时，需要更大的拖曳力才能使其运动。在时，也即，希尔兹曲线成为一条斜率为-1的直线，该直线的方程为此时起动拖曳力与泥沙粒径无关。③、时，即时，近壁层流层（边界层）不起隐蔽作用，随着粒径的加大，泥沙重力作用增强，起动拖曳力相应加大。在以后，Shields曲线近似水平，Shields数接近常数2、泥沙起动临界状态的判别？克雷默的定性标准：他将推移质运动划分为四个阶段：（1）静止——无泥沙运动，全部床沙处于静止状态；（2）弱动——轻微的泥沙运动，有屈指可数的泥沙在推移运动；（3）中动——中等强度的泥沙运动，推移质泥沙运动已达到无法计数的程度；（4）普动——普遮性的泥沙运动，引起床面外形的改变。3、何为泥沙的止动流速、不动流速与扬动流速，它们和起动流速有何关系？止动流速：泥沙由运动状态转变为静止状态的临界垂线平均流速称为止动流速。止动流速与起动流速的关系扬动流速：指床面泥沙由静止状态直接转入悬移状态的临界垂线平均流速。4、沙波的型态、运动特性、类型？沙波发展消亡的过程有哪些阶段？最常见的有哪几个？沙波的剖面形态：1波峰：沙波向上隆起的最高点。⒉波谷：沙波向下凹入之处（沙波的最低点）。⒊波长：相邻两波峰或波谷之间的距离λ。⒋波高：波谷至波峰的铅直距离Δ。运动特性：⒈流速大的地方，泥沙运动速度快；流速小的地方，泥沙运动速度慢。⒉流速正的地方，泥沙向下游运动；流速负的地方，泥沙向上游运动。⒊水流的停滞点，同时也是泥沙的停滞点。03.0Dscc/12.0*DUDsc06.0DsccccUU)83.0~71.0('5/15/15/273.16hgDUsf⒋迎流面流速大，流速逐渐增加，泥沙运动逐渐增强，在波峰处达到最大值。⒌当沙粒越过波峰以后，沙粒受重力及漩涡作用而落入波谷，其中较细的一部分泥沙有可能越过波谷，而到达下一个迎流面上继续前进，绝大部分泥沙将落入波谷区在两个停滞点（漩涡区）内沉积下来。沙波的类型：按形态分⑴带状(顺直)沙波⑵断续蛇曲(弯曲)状沙波⑶新月形沙波⑷舌状沙波按尺度分：①、最小尺度的沙波沙纹特点：波长较小，波高较低，波长、波高尺度以厘米计，泥沙粒径比较细。②、中等尺度的沙波沙垄特点：尺度变幅大，泥沙粒径越细、波长越大。③、最大尺度的沙波沙丘（沙滩）特点：泥沙成型堆积体。沙波的产生和消亡的过程：依据不同的水流条件存在静平整、沙纹、沙垄、动平整、沙浪、碎浪、急滩和深潭等阶段。5、河床床面形态判别的主要无量纲力学参数是哪三个？1）希尔兹数（Shields数）-描述泥沙起动的重要指标（2）沙粒雷诺数（Re*）-决定沙纹运动的重要力学参数（3）弗汝德数（Fr）-决定水流流态的重要参数6、河道综合阻力由哪些部分组成？沿程阻力：河底的床面阻力河岸、边壁阻力局部阻力：河流的平面形态特征；河湾、河谷的突然扩宽等；孤立的特大粗糙，如孤石、小岛。潜滩等7、何为动床阻力？它与定床阻力有何不同？水力半径分割法和能坡分割法的计算公式有何不同？动床阻力：冲积河流由可动的泥沙组成，常有沙纹、沙垄、沙浪等沙波形态出现，边界和阻力是在不停地发生变化，与定床阻力有较大差别。定床阻力：固定边壁表面摩擦阻力，它不随水流条件而变化。能坡分割法：如果把水力半径看成是整个过水断面几何形态的表征值，不因不同的阻力单元而异，则能坡必须分成两部分，一部分与河床阻力相应，另一部分与河岸阻力相应，这时河岸阻力gDDss)()(00DU**RehgUhgUFr222和河床阻力的表达式分别为物理意义：能量消耗一部分传递到Jw，一部分传递到Jb水力半径分割法：把能坡J看成不变，、而只把水力半径按不同阻力单元[河底、河岸（边壁）]分开物理意义：能量来自哪个区域就消耗在哪个区域8、何为推移质输沙率？可以从哪些途径进行研究？与流速的关系如何？推移质泥沙输沙率：在一定水力、泥沙条件下，单位时间内诵过过水断面的推移质数量称为推移质输沙率，用Gb表示，单位：kg/s，t/s可研究的途径：（1）以流速为主要参变数考虑问题；前苏联（2）以拖曳力为主要参变数考虑部题；Duboys,Mayer-Peter（3）根据能量平衡观点考虑问题；Bagnold（4）从统计法则考虑问题；Einstein（5）按沙坡运动情