河流动力学-C2推移质运动

1第二章推移质运动本章内容简介2泥沙的运动形式泥沙的起动沙波运动冲击河流的阻力推移质输沙率2.1.12.1泥沙运动的形式xe第二章推移质运动㈠泥沙的运动形式按运动形式分类：接触质推移质跃移质层移质悬移质2.1.12.1泥沙运动的形式xe第二章推移质运动㈡运动形式随水流条件的变化情况⑴接触质：流速较大但不太大，泥沙颗粒发生运动，主要形式为滑动和滚动，始终与床面保持接触，为数不多。(图2-1)⑵跃移质：流速增大,如滚动的泥沙处在上举力突然较大之处,会突然跳跃起来,进入流速较大的水流区,挟带一定距离后，在重力和向下漩涡的作用下重新回到床面，如再遇同样水流条件会重复以上过程，主要以跳跃的形式前进。这是推移质运动的主要形式。(图2-1)⑶层移质：流速达到一定限度，河床表面泥沙作剪切运动，泥沙成层的移动或滚动。(图2-1)⑷悬移质：流速超过一定数值，紊动强度加强，水流中充满了大小不同的漩涡，漩涡尺寸大于粒径，向上分速大于沉速，此时，跳跃中的泥沙会进入主流区随水流同速前进。(图2-1)2.1.12.1泥沙运动的形式xe第二章推移质运动㈢推移质和悬移质的相对性悬沙？底沙？床沙？推移质和悬移质不能绝对分开，之间存在交换。⑴从河底到水面，泥沙是连续的，中间有交错部分。泥沙分布具有连续性，悬沙中较粗的颗粒与推移质中较细的颗粒交错，悬沙时而滚动，底沙也时而悬浮。⑵悬沙与底沙存在着交换。水流较弱时，悬沙→底沙水流较强时，底沙→悬沙⑶运动泥沙与静止泥沙发生交换。悬沙→底沙→床沙→底沙→悬沙2.1.12.1泥沙运动的形式ye第二章推移质运动㈣推移质和悬移质物理本质上的区别※推移质和悬移质不仅运动形式和位置不同，且存在物理本质上的区别。⑴运动规律不同。•推移质：运动取决于泥沙跳离床面时的受力情况。•悬移质：运动不仅取决于泥沙跳离床面时的受力情况，还受悬浮作用的影响。2.1.12.1泥沙运动的形式ye第二章推移质运动㈣推移质和悬移质物理本质上的区别⑵能量来源不同。•浑水能量＝水流势能＋水流紊动动能＋泥沙势能•推移质：能量来源于水流势能(水流带动，将水流的势能转化为泥沙动能)•悬移质：能量来源于水流紊动动能(紊动动能为水流势能转化为热能的过渡形式)2.1.12.1泥沙运动的形式2.1第二章推移质运动㈣推移质和悬移质物理本质上的区别⑶对河床的作用不同。•推移质：颗粒碰撞产生剪力，向上的离散力支持底沙的重量，向下的离散力，使河床受到向下的压力，增加河床稳定性，影响河床颗粒本身。•悬移质：漩涡动量产生力支持泥沙重量，同时增加容重，加大静水压力，可传递到河床孔隙间的水体，影响河床颗粒间的水体。2.22.2泥沙的起动xe第二章推移质运动研究历史1753年：布朗姆斯(Brahms)提出VC与重量的1/6成正比1914年：福煦海默尔(Forchheimer)讨论了泥沙级配、分选和粗化等对VC的影响1936年：希尔兹(Shields)通过量刚分析提出Shields起动曲线1950~1960年：莱恩(Lain)将起动拖曳力的概念应用到渠道设计中之后：许多学者对均匀沙、非均匀沙、粘土等的起动进行了大量的研究。2.22.2泥沙的起动xe第二章推移质运动研究的意义航道工程设计用（如束水攻沙等）坝前泄水拉沙设计用泥沙运动规律研究的基础(如大多输沙率公式均有此参数)……2.2.1.12.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准xe第二章推移质运动㈠泥沙的起动条件起动条件：河床表面上的泥沙颗粒由静止状态转化为运动状态时的临界水流条件，称为泥沙起动条件。一般有三种方法或称为三种参数表示：•起动流速Uc•起动拖曳力(临界拖曳力)tc•起动功率Wc2.2.1.22.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准xe第二章推移质运动㈡泥沙起动的随机性①泥沙颗粒大小、形状、方位、排列均有随机性。②水流本身具有脉动，脉动本身就是随机的。③受其它颗粒掩盖的随机性，受力情况的随机性。④泥沙组成的非均匀性，无明显的临界粒径。2.2.1.32.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准ye第二章推移质运动㈢起动的判断标准缺点：定性不定量，不同的人，即使是同一人在不同的情况，判断的结果差异较大。起动的随机性→确定起动条件的困难性，目前还无一致的起动标准⑴克雷默的定性标准：他将推移质运动划分为四个阶段：•①无泥沙运动：泥沙完全静止•②轻微的泥沙运动：个别可数的泥沙运动•③中等强度的泥沙运动：D50的泥沙已运动•④普遍的泥沙运动：床面已经变形2.2.1.32.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准ye第二章推移质运动㈢起动的判断标准⑵亚林(Yalin)的颗粒数标准：缺点：①颗粒难以数清；②作为一个标准，ε应为一常数,但当D2=10D1，则需很大的A或t。sDAtm5•m—t时间内从床面面积A内冲刷外移的沙粒颗数2.2.1.32.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准ye第二章推移质运动㈢起动的判断标准⑶窦国仁的概率标准：159.0)37.11(0277.0]74.12[00135.0]11.23[)37.0(0000030000020000010000ccucccccucccccucccccuccuuuuPPuuuuPPuuuuPPuPuu③大量起动：②少量起动：①个别起动：均方差起动概率时均起动流速底流速，uuooc缺点：需要知道起动底流速。2.2.1.32.2泥沙的起动一、泥沙起动的判别标准一第二章推移质运动㈢起动的判断标准⑷输沙率标准：02.0Taylormin).m/(cm143gDDggssbb＝无因次输沙率提出：美国试验站曾规定：目前常用目测和输沙率。理论上应该=0作为标准，但无法判断，故取=0.022.2.2.12.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式xe第二章推移质运动㈠泥沙受力分析滚动模式①有效重力W′②拖曳力FD③上举力FL2.2.2.22.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式ye第二章推移质运动㈡受力计算⑴有效重力W′)(63333为体积系数非球体：球体：aDaWDWss2.2.2.22.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式ye第二章推移质运动㈡受力计算⑵拖曳力FD)(224合二为二为一则称为拖但作用点不同，：上述二者方向一致，5.3/作用点不在中心。颗粒表面产生摩擦力，水流12021202*积系数为垂直于水流方向的面：：。形成前后压力差。产生漩涡，，时，沙粒背后流线分离：流过粗糙的：aguDCaFguDCFDUDDDD非球体球体拖曳力形状阻力表面摩擦力)(224合二为二为一则称为拖但作用点不同，：上述二者方向一致，5.3/作用点不在中心。颗粒表面产生摩擦力，水流12021202*积系数为垂直于水流方向的面：：。形成前后压力差。产生漩涡，，时，沙粒背后流线分离：流过粗糙的：aguDCaFguDCFDUDDDD非球体球体拖曳力形状阻力表面摩擦力2.2.2.22.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式xe第二章推移质运动㈡受力计算⑶上举力FL)(22422022202为上举力系数为铅垂方向的面积系数非球体：球体：上举力向上的压力差压力大底部流速小压力小顶部流速大LLDLDCaguDCaFguDCF2.2.2.32.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式xe第二章推移质运动㈢起动底流uoc公式的推导gDugDaCKaCKaKuuDaKguDCaKguDCaKWKFKFKWDKDFKDFKOscsLDcsLDLDLD＝为支点以平衡进行分析，按滚动形式的受力力矩02/1221133003332022220211321321222通常不用底流uoc作为起动流速，而用垂线平均流速Uc作为起动流速。uoc→Uc？？2.2.2.42.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式ye第二章推移质运动㈣起动垂线平均流速(起动流速Uc)公式的推导mhhhhmhhyUmuUmuumhudyUVmhuhyuhyuu)1()1(111/6~1/7)(0表达则为：用垂线平均流速－指数＝－水深时的表面流速⑴指数流速分布公式(图)uuooc2.2.2.42.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式ye第二章推移质运动㈣起动垂线平均流速(起动流速Uc)公式的推导⑵u0c作用位置的确定uuoocy0cy0c＝aD2.2.2.42.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式xe第二章推移质运动㈣起动垂线平均流速(起动流速Uc)公式的推导⑶Uc的确定mmmsmsmcscmcccmmmDhgDDhgDmUgDuhDUmuaDyhyUmu)1(1)1(1)1(1)1()1(000＝其中下一步任务是如何确定2/12211332aCKaCKaKLDmscDhgDU2.2.2.42.2泥沙的起动二、无粘性均匀沙起动流速公式二第二章推移质运动㈤多家起动流速公式6/13/16/14.61.65)0.2mmsm,(144.1hDUDDhgDUcssc＝对于天然沙：制，)mm5.1~08.0,sm,(8.8lg07.195DgDDhUsc制⑴沙莫夫公式•沙莫夫试验获得＝1.44，m＝1/6⑵刚恰洛夫公式•刚恰洛夫采样对数流速公式，试验得到2.2.3.12.2泥沙的起动三、无粘性均匀沙起动拖曳力ye第二章推移质运动㈠起动拖曳力概念2*2*00cUchJcUhJtt下一步任务：如何利用前面的起动流速Uc换算tc⑴起动拖曳力：泥沙处于起动状态的床面剪切力t0⑵t0计算式2.2.3.12.2泥沙的起动三、无粘性均匀沙起动拖曳力xe第二章推移质运动㈠起动拖曳力概念⑶对数流速分布公式：等或－河床粗糙度，取过渡区：见图粗糙区：光滑区：校正系数，离河床距离，65**2.313.03-Fig22.30lg75.5DDKxUKxxyKyxUusss2.2.3.22.2泥沙的起动三、无粘性均匀沙起动拖曳力xe第二章推移质运动㈡起动拖曳力的推导起动时，y=aKs2.30lg75.52.30lg75.5*0*axUuKyxUuccsgDusc＝02.30lg75.5*gDaxUscttccccUU**DgDxscsctt22.30lg75.5曲线由试验确定，即＝即有关与沙粒雷诺数认为Shields,2.30lg75.5Shields****tDUfDUfDDURxscetDUfDsc*＝2.2.3.32.2泥沙的起动三、无粘性均匀沙起动拖曳力三第二章推移质运动㈢Shields(希尔兹)曲线及其特点min03.0Dsct与粒径无关＝,12.00.12**UDUDscsctt06.0Dsct⑴曲线为马鞍形：中间低，两边高(图)⑵Re*＝10时：⑶Re*2时，曲线为斜率=-1的直线，此时：⑷Re*1000时，曲线基本水平，此时：请思考：是否是泥沙粒经越小越容易起动？是否与矛盾？6/13/14.6hDUc天然沙沙莫夫公式2.2.4.12.2泥沙的起动四、粘性泥沙起动流速公式xe