河流动力学作业三

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1、《河流动力学》课程报告专题三：悬移质1概述悬浮在水中并在水流方向与水流以同样速度前进的泥沙称为悬移质。悬移质与推移质有诸多不同，这种概念划分本身有一定实际意义。悬移质的运动特征相关的部分，将讨论紊动的猝发性质以及泥沙的悬浮过程，然后讨论泥沙的扩散方程以及悬移质含沙量的垂线分布。悬移质的输沙率有爱因斯坦等人提出的若干公式。此外也会讨论到不平衡输沙问题。2悬移质的基本概念2.1悬移质河流中流速的继续增加使紊动进一步加强，水流中充满着大小不同的漩涡，这时泥沙颗粒在自床面跃起的过程中有可能遇到向上的漩涡，被带入离床面更高的流区中。一般说来，不但漩涡的向上

2、分速必须超过沙粒的沉速，而且漩涡的尺寸也一定要比沙粒大得较多，才能带走泥沙。可以看出，泥沙的传递主要是大尺度紊动的作用。悬浮在水中并在水流方向与水流以同样速度前进的泥沙称为悬移质。由于泥沙的悬浮需要从紊流中取出一部分能量，这样，一方面紊动的作用造成了泥沙的悬浮，另一方面悬移质的存在又反过来削弱紊动的强度。泥沙的悬浮是大尺度紊动的作用的另一重要意义在于：这一过程说明床面的泥沙是经过以跃移质为媒介，然后转化成为悬移质的。2.2悬移质与推移质在物理本质上的区别推移质与悬移质之间存在交换，但也有一些物理上的区别。主要有以下三点：（1）运动规律不同。（2）

3、能量的来源不同。推移质直接消耗水流的能量，而悬移质所需能量则是取自水流紊动的动能。（3）对河床作用的不同。悬移质增加了水流的单位容重，加大了水体的静水压力；推移质则增加了河床表面的压力，加大了河床的稳定性。他们一个影响河床颗粒间的水体，一个则直接影响河床颗粒本身。2.3划分推移质和悬移质的实际意义从河床稳定性考虑，沙波的发展消长与当地的泥沙运动及床面附近流速间的相位差关系很大。在以推移运动为主时，这个相位差为正值，河床是不稳定的，会形成一系列的沙垄；以悬移运动为主时，这个相位差为负值，河床式稳定的，不会形成沙波。又如在河流的弯道，环流的存在使推移

4、质运动的方向与悬移质有很大不同，前者受横比降的影响很大，后者则基本上沿主流下泄。这直接关系到床面泥沙的分选、凸岸边滩的形态以及河型的形成。发生沉积的环境中，挟沙水流进入水库以后，推移质多淤在尾部段，而悬移质则成为顶坡段和前坡段的主体。3悬移质运动紊动水流的扩散作用使各个流层之间不但有动量的交换，而且还带有泥沙颗粒的交换。当颗粒的沉速小于水流的向上脉动流速时，泥沙就有可能以悬移的形式运动。根据紊动的猝发性质以及泥沙的运动轨迹，可以说明泥沙的起悬过程，并通过紊动经典理论建立泥沙的扩散方程，在两种特定条件下对方程式去接，分别探讨悬移质含沙量的垂线分布问

5、题和不平衡输沙问题。3.1紊动的猝发性质及泥沙的悬浮过程1978年萨默等将紊动结构与床面附近的泥沙运动联系起来进行观测。次年又把实验范围进一步扩大。根据试验取得的相关资料，可分析说明泥沙悬浮运动现象及其相应的机理。光滑床面上，当紊动猝发体以低速带的形式自床面附近上升时，也挟带了那里的泥沙。如果泥沙的沉速交大，则在抬升过程中会很快落到低速水团的外面，又重新回到床面。如泥沙沉速较小，就会随着低速水团上升，当猝发体崩解时，泥沙颗粒达到悬浮最高点，转而开始下沉。下沉过程中，一部分颗粒为正在向床面运动的高速带所攫取，回到近壁流区；另一部分落入正在上升的漩涡

6、，又转而向上抬升。水流的紊动越强，泥沙的颗粒越细，则后一部分的颗粒所占的权重就越大。高速带在扫荡到床面时，转而向两侧散开，在两股高速带之间开始形成一股新的向上抬升的低速带。随着高速带下落的泥沙也在床面附近推向两侧，进入另一个低速带，再一次开始新的行程。就这样泥沙进入悬浮状态，在悬移质和床面附近的泥沙之间存在着不断的交换。床面加粗糙后，悬移质的运动轨迹及机理同光滑床面并无本质不同，只是泥沙起悬区范围更大，上升更快一些，所能达到的高度也更高一些。应当指出，萨默等人的实验条件比较简单，只研究了定床上单颗粒泥沙的悬浮运动，而且泥沙粒径较近壁层流的厚度为大

7、。对动床水流来说，紊动猝发是如何影响泥沙悬浮的，现在还不清楚。可以设想推理，悬移质主要是和推移质进行交换，而不是直接和床沙进行交换。3.2泥沙扩散方程设想在水体中注入一团染色物质，通过紊流运动等原理，推到染色物质的瞬时浓度对时间的偏导数的表达式，即瞬时浓度与水流x、y方向瞬时流速的数学关系，即为泥沙扩散方程，具体推到过程可见《泥沙运动力学》一书的316-318页。3.3悬移质含沙量的垂线分布关于悬移质沿垂线分布问题目前有两种不同的理论，即扩散理论与重力理论。扩散理论的第一近似解：20世纪30年代即通过建立求解微分方程，得到低含沙量条件下悬移质垂线

8、分布规律。不同的确的科学家先后验证了扩散理论在分布形式上的正确性，但是实测指数z1与按照公式得到的理论值z之间仍有一定差别。一般认为这是