河流动力学2015第3章泥沙的沉速ppt课件.ppt

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1、第三章泥沙的沉速第一节泥沙沉降的不同形式第二节沉速公式及计算第三节影响泥沙沉速的主要因素主要内容沉速是描述泥沙水力特性的关键指标沙粒水动力特性水平方向——良好跟随性，相对运动可忽略重力作用——沉降运动不可忽视挟沙水流特征水和泥沙具有密度差匀速下降加速下降非常短暂特定颗粒加速匀速泥沙沉速：单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度fall,settlingorterminalvelocity1234567间隔相同时间的位置变化第一节泥沙沉降的不同形式泥沙粒径越粗，沉降速度越大，因此也叫水力粗度。颗粒下落速度及轨迹不同大小颗粒颗粒附

2、近流态变化D规则不规则第一节泥沙沉降的不同形式泥沙下沉时的三种运动状态：泥沙下沉时的运动状态与沙粒雷诺数有关：1）当Red<0.5时：绕流状态属层流，泥沙基本上沿铅垂线下沉，附近的水体几乎不发生紊乱；2）当Red>1000时：绕流状态属紊流，颗粒脱离铅垂线，沿螺旋形轨迹下沉，周围水体布满漩涡;3）当0.5

3、沉时，其沉降机理可视为对称绕流运动，其绕流阻力可表达为:Cd与球体雷诺数有关。阻力系数Cd与球体雷诺数Red的关系：泥沙下沉的运动形式球体CD~ReD关系曲线近似常数0.45103105近似线性关系0.5无分离出现分离F=Ff+Fp过渡区层流区紊流区三个分区的沉速分别如何计算？层流状态，球体雷诺数和Cd呈直线关系。Stokes以层流运动方程式为基础，主要考虑粘滞项，忽略惯性项，从理论上推导出球体在层流区内所受的阻力F为：已知绕流阻力：两式相等得：1）滞流区Red<0.5；有效重力WWF绕流阻力F球体在水中受到的有效重力W：在匀速下沉时

4、，阻力F=球体有效重力W。斯托克斯层流区球体沉速公式当D<0.05mm时，可用此式。有效重力WWF绕流阻力FWFt斯托克斯关于层流区阻力表达式是在忽略紊动阻力下导出的，因而仅适用于雷诺数很小的情况，严格地说沙粒雷诺数<0.1才适合。1910年，奥辛（Oseen）在一定程度上考虑紊动阻力的作用，修正了斯托克斯的阻力表达式，其所导出的阻力系数为：2）紊流区10004.0mm时，颗粒沉降时其周围流动一

5、般处于紊流，可以用此式。Red>2×105,球体绕流分离点后移，压差（形状）阻力迅速减小，实验所的的CD~Re关系图上的绕流阻力系数CD迅速降为0.2左右。实验中拍摄的照片，显示当Red>2×105时，球体绕流分离点后移，形状阻力减小。由于球体在静水中沉速一般不会达到这样大的速度，所以不考虑这种情况。3）过渡区，0.5＜Red<1000：绕流过渡区，紊动阻力（质点加速运动引起的惯性力）逐渐变大（粘滞力变小），并趋向于主导作用，阻力系数和沙粒雷诺数呈曲线关系。斯托克斯过渡区球体沉速公式CD为沉速ω和粒径D的函数，因此计算沉速时一般需进行

6、试算。两边同乘以Red2方程左边是个常数，只与粒径d有关，由查得，从而根据求出沉速。根据F=W的关系，由（3-1）与（3-4）式：第二节沉速公式二泥沙颗粒的沉速泥沙颗粒形状不规则，绕流阻力系数有所不同:一般认为：滞流区的阻力与成比例，紊流区的阻力与成比例。关于泥沙沉速，中外学者提出了不少计算公式，具有代表性的主要有：张瑞瑾公式、岗恰洛夫公式、沙玉清公式、窦国仁公式等。二泥沙颗粒的沉速根据阻力叠加原则：认为过渡区泥沙所受阻力F的大小为滞流阻力和紊流阻力之和。▲(一)张瑞瑾公式当F=W时，得泥沙的沉速：(1)过渡区沉速公式泥沙下沉所受有效

7、重力：其中C1和C2为无量纲的系数，通过试验实测可得。经过试验可得，C1=13.95C2=1.09。注意：公式适用于滞流区和紊流区；泥沙从滞性状态到紊动状态是逐渐过渡的；温度不变时，粒径d增加，滞性阻力会随之减小，当d>4mm时，滞性阻力可忽略；粒径d减小，紊动阻力会随之减小，当d<0.1mm时，紊动阻力可忽略。过渡区泥沙颗粒沉速公式：二泥沙颗粒的沉速▲(一)张瑞瑾公式(2)滞流区沉速公式当Re<0.5时，只有滞性力起作用，力的平衡方程为：可得泥沙沉速大小：有效重力滞性力紊流阻力二泥沙颗粒的沉速▲(一)张瑞瑾公式(3)紊流区沉速公式当

8、Re>1000时，只有紊流阻力起作用，力的平衡方程为：可得泥沙沉速大小：有效重力滞性力紊流阻力二泥沙颗粒的沉速▲(二)岗恰洛夫公式(1)滞流区(2)紊流区(3)过渡流区岗卡洛夫过渡区沉速公式（）T为水温，D0＝1.5mm