河流动力学 C4异重流ppt课件.ppt

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1、11.3.31(5周)四11.4.5(6周)二,1,第四章 异重流,本章内容简介,2,异重流的一般概念异重流的基本方程河渠异重流,4.0,0,第四章 异重流,异重流是挟沙水流的一种特殊运动形式，对河床演变、泥沙运动有重要影响；,通常出现水库、盲肠河段(挖入式河港、船闸引航道)等；,异重流发现已久，但真正进行研究于20世纪30年代。,4.1.1.1,4.1 异重流的一般概念 一、异重流的成因,xe,第四章 异重流,何为异重流？,异重流是两种密度相差不大、可以相混的流体，在条件适宜时因比重差异而产生的在运动过程中不发生全局性紊动掺混的相对运动。,4.1.1.2,4.1 异重流的一般概念 一、异重流

2、的成因,ye,第四章 异重流,异重流的分类,按成因及形状分类：,温差异重流：盐水异重流：浑水异重流：,因温差造床密度差异而引起的异重流；常出现在电站冷却水取水口，如被抽入冷却系统则影响冷却效率。,海水入侵河水，因盐水与清水的密度差异而引起的异重流；影响城市供水,水库、港池等因浑水与清水的比重差异引起的异重流；常影响库容和航运。,4.1.1.2,4.1 异重流的一般概念 一、异重流的成因,xe,第四章 异重流,异重流的分类按出现位置分类：,下异重流：上异重流：中异重流：,较重的流体在较轻的流体下面运动；如入库浑水、盐水等异重流,较轻的流体在较重的流体上面运动；如温差、 入海浑水等异重流,较重和较

3、轻的流体之间存在第三种流体运动；如云层运动。,4.1.1.3,4.1 异重流的一般概念 一、异重流的成因,xe,第四章 异重流,浑水异重流的物理本质,根本成因：清、浑水的密度差异。,隔板实验：可形象说明异常形成的物理本质。 光滑隔板将清水与浑水分隔于两侧，因浑水重于清水而产生压力差，且水越深，压力差越大，底部压差最大；当隔板垂直缓慢抽出水面，浑水将从底部q潜入清水，这就是浑水异重流的物理本质。,4.1.1.4,4.1 异重流的一般概念 一、异重流的成因,一,第四章 异重流,浑水异重流对水利建设方面的影响,对水库淤积的影响,蚕食有效库容、缩短水库寿命、增加坝体压力异重流淤积孔隙率大35倍，故淤积

4、体积大，蚕食有效库容快；可掌握异重流运行特征，因势利导排沙，官厅水库因异重流排沙达1/3，对于底坡大的水库，可达到2/3。,对航运的影响,港池、船闸为盲肠渠道，常为静水，具有形成异重流的条件，易因异重流入侵淤积而碍航。例：长江中游青山港建成后4年淤积74万方，口门淤厚10m，中枯水碍航；后每年疏浚，但回淤快，仍有34个月枯水碍航。葛洲坝引航道异重流淤积占绝对部分，但因事先预测而采取了冲沙闸方案,4.1.2.1,4.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性,xe,第四章 异重流,异重流的特性,Why？,异重流与一般流体相比具有三大特性：,异重流的重力作用显著减小；异重流的惯性作用相对增强；异重流的

5、阻力作用十分突出。,4.1.2.2,4.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性,ye,第四章 异重流,异重流的重力作用显著减小？,异重流密度：,特点：含沙量的较大变化仅引起密度的较小改变，且与水的密度差异也不大。,微小的比重差异均可形成异重流(长江S=1kg/m3),4.1.2.2,4.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性,ye,第四章 异重流,异重流的重力作用显著减小？异重流的有效重量(水下重量)：,4.1.2.2,4.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性,xe,第四章 异重流,异重流的重力作用显著减小？异重流的有效重力加速度 g：,浑水比清水重，为何重力作用还显著减小呢？常规难以理解。

6、同学们可从周围介质进行理解！,4.1.2.3,4.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性,xe,第四章 异重流,异重流的惯性作用相对增强？,异重流仍为流体,仍可用明渠水流的Fr、Re等参数，仅将g换为g。,由此可见，与同h、V的清水相比，异重流 Fr 远大于清水。,Fr 的物理意义：惯性力与重力的相对大小，Fr增大，表明惯性力相对增强。,惯性力增强，重力显著减小，表明异重流容易爬高和翻越(图4-2)。,4.1.2.4,4.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性,4.1,第四章 异重流,异重流的阻力作用十分突出？,此式表明：在相同的f、R、J0的情况下，异重流的U清水的U，即阻力增大，如要运行长

7、距离，必须有足够的比降J。,4.2.1.1,4.2 异重流的基本方程 一、异重流的连续方程,xe,第四章 异重流,二元非恒定异重流,4.2.1.2,4.2 异重流的基本方程 一、异重流连续方程,xe,第四章 异重流,二元恒定异重流,与清水连续方程一样,4.2.2.1,4.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程,xe,第四章 异重流,方程建立基础,二元恒定流上面清水静止清水水面水平,4.2.2.2,4.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程,ye,第四章 异重流,二元恒定异重流运动方程,?,?,4.2.2.2,4.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程,ye,第四章 异重流,二元恒定异重流

8、运动方程,4.2.2.2,4.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程,ye,第四章 异重流,二元恒定异重流运动方程,4.2.2.2,4.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程,ye,第四章 异重流,二元恒定异重流运动方程,4.2.2.2,4.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程,ye,第四章 异重流,二元恒定异重流运动方程,4.2.2.2,4.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程,4.2,第四章 异重流,二元恒定异重流运动方程,4.3.1,4.3 河渠异重流 一、盲肠河段,一,第四章 异重流,何为盲肠河段？,凡是一端与河道连通，而另一端封闭的河段(图4-4)。,盲肠河段也可能淤积,

9、虽然是静水，但也可因异重流造成淤积。,例：黄河下游部分引水闸：闸门关闭后，引水渠很快淤死。武汉下游青山港：预计年均淤积量0.77万方；结果没有考虑异重流淤积，年均淤积量达18.5万方，多20余倍。,4.3.2.1,4.3 河渠异重流 二、盲肠河段的泥沙淤积过程,ye,第四章 异重流,具有形成异重流的条件盲肠内静水，清水；河道动水、浑水；密度差产生交界面压力差，从而产生异重流。,异重流潜入盲肠沿程淤积异重流速度较慢，泥沙会沿程沉淀，粗颗粒淤积在口门，然后向盲端沿程淤积。,4.3.2.3,4.3 河渠异重流 二、盲肠河段的泥沙淤积过程,二,第四章 异重流,横轴纵向环流使异重流循环往复地将泥沙输入盲

10、肠河段.动量和质量的平衡形成横轴纵向环流含沙量大的底流不断流入，含沙量小甚至清水的面流不断流出，盲肠河段不断淤积。,立轴回流引起回流淤积，形成拦门沙。拦门沙淤积体虽然较集中,范围不大,但淤积厚,对航行十分不利(图4-5),4.3.3.1,4.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算,xe,第四章 异重流,输沙率公式,h的计算,4.3.3.3,4.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算,xe,第四章 异重流, U的计算、断面建立能量方程 (盲肠河底、水面均水平图4-6)，有：,4.3.3.4,4.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算,xe,第四章 异重流, S的计算异重流含沙量S 与河水含

11、沙量 S 应有一定关系，设：, h的计算,4.3.3.6,4.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算,xe,第四章 异重流,异重流输沙率公式的最终结构,4.3.3.7,4.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算,三,第四章 异重流,汇流区的淤积计算,4.3.4.1,4.3 河渠异重流 四、水库异重流形成条件,xe,第四章 异重流,潜入点的特点,交界面突变。,4.3.4.2,4.3 河渠异重流 四、水库异重流形成条件,ye,第四章 异重流,形成条件,图4-6,4.3.4.2,4.3 河渠异重流 四、水库异重流形成条件,四,第四章 异重流,形成条件,4.3.5.1,4.3 河渠异重流 五、防止

12、或减少盲肠河段异重流淤积的措施,ye,第四章 异重流,合理化进行平面规划和主要尺度的选择船闸置于枢纽凹岸一侧；口门不宜布置在可动边滩的下游侧；港池出口方向指向下游，角度越小越好，但需满足航行需要；试验表明：60交角的淤积量大于45的一倍多，航行要求不小于30。尽量缩小口门宽度和水深；试验表明：14m口门水深的淤积量较11.6m时增大70。,4.3.5.3,4.3 河渠异重流 五、防止或减少盲肠河段异重流淤积的措施,c4,第四章 异重流,采取异重流衰减的工程措施设置适量外泄水流；试验表明：5m3/s的口门外泄水流使淤积量减少5/6。口门设置防淤帘；设帘后，淤积量减少70，但运行麻烦。合理安排疏浚

13、的时间及顺序疏浚最好安排在退水期水深接近碍航时进行；先挖港池，后挖口门。,习题,第四章 异重流,要求掌握的内容,c4,1、异重流的概念和分类。2、形成异重流的物理本质是什么？3、异重流的密度、有效重量和有效重力加速度如何计算？较大的含沙量变化仅引起密度的(微小)变化。4、详述异重流运动的三个主要特性。5、请记住异重流运动方程(4-20a、b)，要形成异重均匀流，其底坡应该比一般均匀流(大得多)。6、请记住形成水库异重流条件的计算公式？7、何为盲肠河段？,作业,第四章 异重流,作业,ce,某水库，其库水面水平，坝前水深为10.5m，底坡2.5，如果单宽来流量q10m3/m/s，含沙量S50kg/m3，请问：在距坝何处形成异重流(取K=0.6)。,Fig4-2,Fig4-3,Fig4-4,如:挖入式港池船闸引航道.,Fig4-5,Fig4-6,S,U0,