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1、A辑第10卷第6期水动力学研究与进展Ser.A,Vol.10,No.61995年12月JOURNALOFHYDRODYNAMICSDee.,1995反坡异重流的研究秦文凯府仁寿,(清华大学水电系北京100084)韩其为,(水利水电科学研究院北京100044)摘要本文,,主要研究了底坡为反坡上层有逆向水流运动情况下异重流的水流运动和泥沙输移。规律首先建立了这种异重流(称之为反坡异重流)的形成条件;然后从理论上推导出了反坡异重流潜入后的起始水深和流速,,;通过水动与已有的一些经验公式作了对比分析并用天然实测资料
2、进行了验证力学分析,推导出了反坡异重流的潜入距离,用天然实测资料进行了验证。最后,采用不平衡沙模式,给出了反坡异重流的输沙、淤积规律,应用该模式对一些实例做了验证计算。本研究成果可用、于盲肠河段,。水库支沟湖泊出口异重流及盐水楔入侵等的水力和泥沙计算关键词反坡异重流1引言,,两种或两种以上的流体互相接触重度有一定的差异如果其中一种流体沿着交界面的方向流,,〔,〕。动在流动过程中不发生全局性的掺混现象这种流动称之为异重流异重流是自然界中一种常见的现象。按照其底坡(相对于异重流运动而言)不同,我们可将其分为顺坡
3、异重流、平坡异重流和,,。反坡异重流平坡异重流可视为反坡异重流的特例我们将其并入反坡异重流一起研究,,目前研究较充分的水库异重流属于顺坡异重流而盲肠河段异重流(其底坡基本为平坡)河口,,,地区的盐水楔入侵则属于反坡异重流而盲肠河段异重流(其底坡基本为平坡)河口地区的盐水,。,,则属于反坡异;楔入侵重流此外如果水库较浑而某些支沟水流较清或汛期水库的含沙量突然,,;,,增大都有可能产生异重流入侵支沟引起支沟的淤积[2j在湖泊出口如果江水的含沙量较大湖,。泊出流不大且含沙量较小也有可能产生异重流入侵湖泊出口段这两
4、种异重流也属于反坡异重。,:(,流综观各种反坡异重流它们主要有两个共同点1)相对于异重流运动而言其底坡为反坡或平,。;(2)河道或支沟本来就可能有水流运动且坡其水流运动方向与异重流运动方向相反2反坡异重流的水力要素2.1反坡异重流的形成条件,,如果河道或沟渠本来没有水流运动反坡异重流都比较容易形成例如一般的盲肠河段异重流。本文于1995年3月23日收到。638水动力学研究与进展1995年第6期,,但如果河道或沟渠本来就有水流运动则反坡异重流的形成必须满足一定的条件亦即反坡异,,,重流的形成条件在初始潜入断面
5、附近有一个较强的掺混区引起较大的能量损失但在我们将其,。并入局部阻力损失中考虑后可以得出概化的潜入点附近上下游的能量交换示意图如图2l0一一仁汉声1一‘一一尹暇“卜F铡州厦_汽L3一底层水流图1反坡异重流平面示意图图2反坡异重流潜入点上下游能量交换概化图,、图2中A为异重流初始潜入点;1一1断面o一。断面分别为潜入点附近上下游的过水断面;、,、;。、u。、。。、;、y尸分别为清浑水的重度hhl和u’分别为潜入点下游的起始清浑水的水深和流速Hl。ul分别为潜入点上游的浑水水深和流速h。+。H一h’(1)、q
6、u令分别为异重流潜入之前沟渠本来的水流单宽流量和流速q=uH(2)ql。为O一O断面处由于异重流潜入后析出清水和掺混而在上层流体中产生的单宽流量和流速,,反坡异重流潜入后由于克服重力和阻力作功故潜入后沿反坡运行一定的距离就不再向前推,。进而继续潜入的异重流通过异重流析出清水和掺混来进入上层流体并随之流出故叮1u‘。h‘。=(3)。。令q为异重流潜入后上层流体在。一。断面处的总单宽流量显然。uo。qq:q=h=十(4)令。,澎一KH(5)则h。=(,l一K)H(6)K1。u’+l(7)1一K考察上层清水的流动
7、。取潜入点A下游紧靠交界面的一根流管进行研究。该流管在潜入点A处从,、。。平面上发生折转如图1图3所示分析该流管纵向(X方向)受力及动量变化给出该段流管的X方向动量方程dy+O一Pdy十夕uodyu。+(rl一r:)厂乙l(8),,,。。因为A点为潜入断面最低点且其左侧为浑水故厂一yh,,‘。,。,取流管长度足够短即心~o代入P’一yhP一从后(8)式经整理后可得:秦文凯等反坡异重流的研究639dy(】几,匕图3A处流管段动量变化(1)流管在A点折转立体示意图(2)流管在A点折转平面示意图(3)流管x方向受
8、力及动量变化U。升凡瓜⋯(9),y‘、了一7、,一7洲一y令专一,由于7yl相差不大有‘了y一了,代入式(6)后式(9)可变为u。91一:9(1一、)、丫(10),代入(7)式可得1,/-,,~、;,,又丫欠土‘”况’(11)u0一瓦价g一人月一,,。。:。、:,显然要形成异重流则澎>o考虑临界情况澎一。K一O则。,一了碗公(12):u,。式中为形成反坡异重流的上层流体原始临界流速,uu,。要形成反坡异重流则必须
