河流動(dòng)力學(xué)-C4異重流課件

11.3.31(5周)四11.4.5(6周)二11.3.31(5周)四11第四章異重流本章內(nèi)容簡介2異重流的一般概念異重流的基本方程河渠異重流1第四章異重流本章內(nèi)容簡介2異重流的一般概念24.00第四章異重流異重流是挾沙水流的一種特殊運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)河床演變、泥沙運(yùn)動(dòng)有重要影響；通常出現(xiàn)水庫、盲腸河段(挖入式河港、船閘引航道)等；異重流發(fā)現(xiàn)已久，但真正進(jìn)行研究于20世紀(jì)30年代。4.00第四章異重流異重流是挾沙水流的一種特殊運(yùn)動(dòng)形式，34.1.1.14.1異重流的一般概念一、異重流的成因xe第四章異重流㈠何為異重流？異重流是兩種密度相差不大、可以相混的流體，在條件適宜時(shí)因比重差異而產(chǎn)生的在運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生全局性紊動(dòng)摻混的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。4.1.1.14.1異重流的一般概念44.1.1.24.1異重流的一般概念一、異重流的成因ye第四章異重流㈡異重流的分類⑴按成因及形狀分類：①溫差異重流：②鹽水異重流：③渾水異重流：因溫差造床密度差異而引起的異重流；常出現(xiàn)在電站冷卻水取水口，如被抽入冷卻系統(tǒng)則影響冷卻效率。海水入侵河水，因鹽水與清水的密度差異而引起的異重流；影響城市供水水庫、港池等因渾水與清水的比重差異引起的異重流；常影響庫容和航運(yùn)。4.1.1.24.1異重流的一般概念54.1.1.24.1異重流的一般概念一、異重流的成因xe第四章異重流㈡異重流的分類⑵按出現(xiàn)位置分類：①下異重流：②上異重流：③中異重流：較重的流體在較輕的流體下面運(yùn)動(dòng)；如入庫渾水、鹽水等異重流較輕的流體在較重的流體上面運(yùn)動(dòng)；如溫差、入海渾水等異重流較重和較輕的流體之間存在第三種流體運(yùn)動(dòng)；如云層運(yùn)動(dòng)。4.1.1.24.1異重流的一般概念64.1.1.34.1異重流的一般概念一、異重流的成因xe第四章異重流㈢渾水異重流的物理本質(zhì)根本成因：清、渾水的密度差異。隔板實(shí)驗(yàn)：可形象說明異常形成的物理本質(zhì)。光滑隔板將清水與渾水分隔于兩側(cè)，因渾水重于清水而產(chǎn)生壓力差，且水越深，壓力差越大，底部壓差最大；當(dāng)隔板垂直緩慢抽出水面，渾水將從底部q潛入清水，這就是渾水異重流的物理本質(zhì)。4.1.1.34.1異重流的一般概念74.1.1.44.1異重流的一般概念一、異重流的成因一第四章異重流㈣渾水異重流對(duì)水利建設(shè)方面的影響⑴對(duì)水庫淤積的影響蠶食有效庫容、縮短水庫壽命、增加壩體壓力異重流淤積孔隙率大3~5倍，故淤積體積大，蠶食有效庫容快；可掌握異重流運(yùn)行特征，因勢(shì)利導(dǎo)排沙，官廳水庫因異重流排沙達(dá)1/3，對(duì)于底坡大的水庫，可達(dá)到2/3。⑵對(duì)航運(yùn)的影響港池、船閘為盲腸渠道，常為靜水，具有形成異重流的條件，易因異重流入侵淤積而礙航。例：長江中游青山港建成后4年淤積74萬方，口門淤厚10m，中枯水礙航；后每年疏浚，但回淤快，仍有3~4個(gè)月枯水礙航。葛洲壩引航道異重流淤積占絕對(duì)部分，但因事先預(yù)測(cè)而采取了沖沙閘方案4.1.1.44.1異重流的一般概念84.1.2.14.1異重流的一般概念二、異重流的特性xe第四章異重流㈠異重流的特性Why？異重流與一般流體相比具有三大特性：⑴異重流的重力作用顯著減?。虎飘愔亓鞯膽T性作用相對(duì)增強(qiáng)；⑶異重流的阻力作用十分突出。4.1.2.14.1異重流的一般概念94.1.2.24.1異重流的一般概念二、異重流的特性ye第四章異重流㈡異重流的重力作用顯著減小？⑴異重流密度：特點(diǎn)：含沙量的較大變化僅引起密度的較小改變，且與水的密度差異也不大。微小的比重差異均可形成異重流(長江S=1kg/m3)4.1.2.24.1異重流的一般概念104.1.2.24.1異重流的一般概念二、異重流的特性ye第四章異重流㈡異重流的重力作用顯著減??？⑵異重流的有效重量(水下重量)：4.1.2.24.1異重流的一般概念114.1.2.24.1異重流的一般概念二、異重流的特性xe第四章異重流㈡異重流的重力作用顯著減小？⑶異重流的有效重力加速度g′：渾水比清水重，為何重力作用還顯著減小呢？常規(guī)難以理解。同學(xué)們可從周圍介質(zhì)進(jìn)行理解！4.1.2.24.1異重流的一般概念124.1.2.34.1異重流的一般概念二、異重流的特性xe第四章異重流㈢異重流的慣性作用相對(duì)增強(qiáng)？異重流仍為流體,仍可用明渠水流的Fr、Re等參數(shù)，僅將g′換為g。由此可見，與同h、V的清水相比，異重流Fr遠(yuǎn)大于清水。Fr的物理意義：慣性力與重力的相對(duì)大小，F(xiàn)r增大，表明慣性力相對(duì)增強(qiáng)。慣性力增強(qiáng)，重力顯著減小，表明異重流容易爬高和翻越(圖4-2)。4.1.2.34.1異重流的一般概念134.1.2.44.1異重流的一般概念二、異重流的特性4.1第四章異重流㈣異重流的阻力作用十分突出？此式表明：在相同的f、R、J0的情況下，異重流的U′<<清水的U，即阻力增大，如要運(yùn)行長距離，必須有足夠的比降J。4.1.2.44.1異重流的一般概念144.2.1.14.2異重流的基本方程一、異重流的連續(xù)方程xe第四章異重流㈠二元非恒定異重流4.2.1.14.2異重流的基本方程154.2.1.24.2異重流的基本方程一、異重流連續(xù)方程xe第四章異重流㈡二元恒定異重流與清水連續(xù)方程一樣4.2.1.24.2異重流的基本方程164.2.2.14.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程xe第四章異重流㈠方程建立基礎(chǔ)⑴二元恒定流⑵上面清水靜止⑶清水水面水平4.2.2.14.2異重流的基本方程174.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程??4.2.2.24.2異重流的基本方程184.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程194.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程204.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程214.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程224.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程234.3.14.3河渠異重流一、盲腸河段一第四章異重流何為盲腸河段？凡是一端與河道連通，而另一端封閉的河段(圖4-4)。盲腸河段也可能淤積雖然是靜水，但也可因異重流造成淤積。例：黃河下游部分引水閘：閘門關(guān)閉后，引水渠很快淤死。武漢下游青山港：預(yù)計(jì)年均淤積量0.77萬方；結(jié)果沒有考慮異重流淤積，年均淤積量達(dá)18.5萬方，多20余倍。4.3.14.3河渠異重流244.3.2.14.3河渠異重流二、盲腸河段的泥沙淤積過程ye第四章異重流⑴具有形成異重流的條件盲腸內(nèi)靜水，清水；河道動(dòng)水、渾水；密度差產(chǎn)生交界面壓力差，從而產(chǎn)生異重流。⑵異重流潛入盲腸沿程淤積異重流速度較慢，泥沙會(huì)沿程沉淀，粗顆粒淤積在口門，然后向盲端沿程淤積。4.3.2.14.3河渠異重流254.3.2.34.3河渠異重流二、盲腸河段的泥沙淤積過程二第四章異重流⑶橫軸縱向環(huán)流使異重流循環(huán)往復(fù)地將泥沙輸入盲腸河段.動(dòng)量和質(zhì)量的平衡形成橫軸縱向環(huán)流含沙量大的底流不斷流入，含沙量小甚至清水的面流不斷流出，盲腸河段不斷淤積。⑷立軸回流引起回流淤積，形成攔門沙。攔門沙淤積體雖然較集中,范圍不大,但淤積厚,對(duì)航行十分不利(圖4-5)4.3.2.34.3河渠異重流264.3.3.14.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算xe第四章異重流㈠輸沙率公式b?h′?㈡h′的計(jì)算4.3.3.14.3河渠異重流274.3.3.34.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算xe第四章異重流㈢U′的計(jì)算Ⅰ、Ⅱ斷面建立能量方程(盲腸河底、水面均水平圖4-6)，有：4.3.3.34.3河渠異重流284.3.3.44.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算xe第四章異重流㈣S′的計(jì)算異重流含沙量S′與河水含沙量S應(yīng)有一定關(guān)系，設(shè)：㈤h的計(jì)算4.3.3.44.3河渠異重流294.3.3.64.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算xe第四章異重流㈥異重流輸沙率公式的最終結(jié)構(gòu)4.3.3.64.3河渠異重流304.3.3.74.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算三第四章異重流㈦?yún)R流區(qū)的淤積計(jì)算U、SL4.3.3.74.3河渠異重流314.3.4.14.3河渠異重流四、水庫異重流形成條件xe第四章異重流㈠潛入點(diǎn)的特點(diǎn)交界面突變。4.3.4.14.3河渠異重流324.3.4.24.3河渠異重流四、水庫異重流形成條件ye第四章異重流㈡形成條件圖4-64.3.4.24.3河渠異重流334.3.4.24.3河渠異重流四、水庫異重流形成條件四第四章異重流㈡形成條件4.3.4.24.3河渠異重流344.3.5.14.3河渠異重流

五、防止或減少盲腸河段異重流淤積的措施ye第四章異重流⑴合理化進(jìn)行平面規(guī)劃和主要尺度的選擇船閘置于樞紐凹岸一側(cè)；口門不宜布置在可動(dòng)邊灘的下游側(cè)；港池出口方向指向下游，角度越小越好，但需滿足航行需要；試驗(yàn)表明：60°交角的淤積量大于45°的一倍多，航行要求不小于30°。盡量縮小口門寬度和水深；試驗(yàn)表明：14m口門水深的淤積量較11.6m時(shí)增大70％。4.3.5.14.3河渠異重流ye第四章異重流⑴合354.3.5.34.3河渠異重流

五、防止或減少盲腸河段異重流淤積的措施c4第四章異重流⑵采取異重流衰減的工程措施設(shè)置適量外泄水流；試驗(yàn)表明：5m3/s的口門外泄水流使淤積量減少5/6。口門設(shè)置防淤簾；設(shè)簾后，淤積量減少70％，但運(yùn)行麻煩。⑶合理安排疏浚的時(shí)間及順序疏浚最好安排在退水期水深接近礙航時(shí)進(jìn)行；先挖港池，后挖口門。4.3.5.34.3河渠異重流c4第四章異重流⑵采36習(xí)題第四章異重流要求掌握的內(nèi)容c41、異重流的概念和分類。2、形成異重流的物理本質(zhì)是什么？3、異重流的密度、有效重量和有效重力加速度如何計(jì)算？較大的含沙量變化僅引起密度的(微小)變化。4、詳述異重流運(yùn)動(dòng)的三個(gè)主要特性。5、請(qǐng)記住異重流運(yùn)動(dòng)方程(4-20a、b)，要形成異重均勻流，其底坡應(yīng)該比一般均勻流(大得多)。6、請(qǐng)記住形成水庫異重流條件的計(jì)算公式？7、何為盲腸河段？習(xí)題第四章異重流要求掌握的內(nèi)容c41、異重流的概念和分類37作業(yè)第四章異重流作業(yè)ce某水庫，其庫水面水平，壩前水深為10.5m，底坡2.5‰，如果單寬來流量q＝10m3/m/s，含沙量S＝50kg/m3，請(qǐng)問：在距壩何處形成異重流(取K=0.6)。作業(yè)第四章異重流作業(yè)ce某水庫，其庫水面水平，壩前水深為38Fig4-2Fig4-239Fig4-3Fig4-340Fig4-4如:挖入式港池船閘引航道…….bULFig4-4如:bUL41Fig4-5Fig4-542Fig4-6S′U0Fig4-6S′U043河流動(dòng)力學(xué)-C4異重流課件4411.3.31(5周)四11.4.5(6周)二11.3.31(5周)四451第四章異重流本章內(nèi)容簡介2異重流的一般概念異重流的基本方程河渠異重流1第四章異重流本章內(nèi)容簡介2異重流的一般概念464.00第四章異重流異重流是挾沙水流的一種特殊運(yùn)動(dòng)形式，對(duì)河床演變、泥沙運(yùn)動(dòng)有重要影響；通常出現(xiàn)水庫、盲腸河段(挖入式河港、船閘引航道)等；異重流發(fā)現(xiàn)已久，但真正進(jìn)行研究于20世紀(jì)30年代。4.00第四章異重流異重流是挾沙水流的一種特殊運(yùn)動(dòng)形式，474.1.1.14.1異重流的一般概念一、異重流的成因xe第四章異重流㈠何為異重流？異重流是兩種密度相差不大、可以相混的流體，在條件適宜時(shí)因比重差異而產(chǎn)生的在運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生全局性紊動(dòng)摻混的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。4.1.1.14.1異重流的一般概念484.1.1.24.1異重流的一般概念一、異重流的成因ye第四章異重流㈡異重流的分類⑴按成因及形狀分類：①溫差異重流：②鹽水異重流：③渾水異重流：因溫差造床密度差異而引起的異重流；常出現(xiàn)在電站冷卻水取水口，如被抽入冷卻系統(tǒng)則影響冷卻效率。海水入侵河水，因鹽水與清水的密度差異而引起的異重流；影響城市供水水庫、港池等因渾水與清水的比重差異引起的異重流；常影響庫容和航運(yùn)。4.1.1.24.1異重流的一般概念494.1.1.24.1異重流的一般概念一、異重流的成因xe第四章異重流㈡異重流的分類⑵按出現(xiàn)位置分類：①下異重流：②上異重流：③中異重流：較重的流體在較輕的流體下面運(yùn)動(dòng)；如入庫渾水、鹽水等異重流較輕的流體在較重的流體上面運(yùn)動(dòng)；如溫差、入海渾水等異重流較重和較輕的流體之間存在第三種流體運(yùn)動(dòng)；如云層運(yùn)動(dòng)。4.1.1.24.1異重流的一般概念504.1.1.34.1異重流的一般概念一、異重流的成因xe第四章異重流㈢渾水異重流的物理本質(zhì)根本成因：清、渾水的密度差異。隔板實(shí)驗(yàn)：可形象說明異常形成的物理本質(zhì)。光滑隔板將清水與渾水分隔于兩側(cè)，因渾水重于清水而產(chǎn)生壓力差，且水越深，壓力差越大，底部壓差最大；當(dāng)隔板垂直緩慢抽出水面，渾水將從底部q潛入清水，這就是渾水異重流的物理本質(zhì)。4.1.1.34.1異重流的一般概念514.1.1.44.1異重流的一般概念一、異重流的成因一第四章異重流㈣渾水異重流對(duì)水利建設(shè)方面的影響⑴對(duì)水庫淤積的影響蠶食有效庫容、縮短水庫壽命、增加壩體壓力異重流淤積孔隙率大3~5倍，故淤積體積大，蠶食有效庫容快；可掌握異重流運(yùn)行特征，因勢(shì)利導(dǎo)排沙，官廳水庫因異重流排沙達(dá)1/3，對(duì)于底坡大的水庫，可達(dá)到2/3。⑵對(duì)航運(yùn)的影響港池、船閘為盲腸渠道，常為靜水，具有形成異重流的條件，易因異重流入侵淤積而礙航。例：長江中游青山港建成后4年淤積74萬方，口門淤厚10m，中枯水礙航；后每年疏浚，但回淤快，仍有3~4個(gè)月枯水礙航。葛洲壩引航道異重流淤積占絕對(duì)部分，但因事先預(yù)測(cè)而采取了沖沙閘方案4.1.1.44.1異重流的一般概念524.1.2.14.1異重流的一般概念二、異重流的特性xe第四章異重流㈠異重流的特性Why？異重流與一般流體相比具有三大特性：⑴異重流的重力作用顯著減??；⑵異重流的慣性作用相對(duì)增強(qiáng)；⑶異重流的阻力作用十分突出。4.1.2.14.1異重流的一般概念534.1.2.24.1異重流的一般概念二、異重流的特性ye第四章異重流㈡異重流的重力作用顯著減?。竣女愔亓髅芏龋禾攸c(diǎn)：含沙量的較大變化僅引起密度的較小改變，且與水的密度差異也不大。微小的比重差異均可形成異重流(長江S=1kg/m3)4.1.2.24.1異重流的一般概念544.1.2.24.1異重流的一般概念二、異重流的特性ye第四章異重流㈡異重流的重力作用顯著減??？⑵異重流的有效重量(水下重量)：4.1.2.24.1異重流的一般概念554.1.2.24.1異重流的一般概念二、異重流的特性xe第四章異重流㈡異重流的重力作用顯著減小？⑶異重流的有效重力加速度g′：渾水比清水重，為何重力作用還顯著減小呢？常規(guī)難以理解。同學(xué)們可從周圍介質(zhì)進(jìn)行理解！4.1.2.24.1異重流的一般概念564.1.2.34.1異重流的一般概念二、異重流的特性xe第四章異重流㈢異重流的慣性作用相對(duì)增強(qiáng)？異重流仍為流體,仍可用明渠水流的Fr、Re等參數(shù)，僅將g′換為g。由此可見，與同h、V的清水相比，異重流Fr遠(yuǎn)大于清水。Fr的物理意義：慣性力與重力的相對(duì)大小，F(xiàn)r增大，表明慣性力相對(duì)增強(qiáng)。慣性力增強(qiáng)，重力顯著減小，表明異重流容易爬高和翻越(圖4-2)。4.1.2.34.1異重流的一般概念574.1.2.44.1異重流的一般概念二、異重流的特性4.1第四章異重流㈣異重流的阻力作用十分突出？此式表明：在相同的f、R、J0的情況下，異重流的U′<<清水的U，即阻力增大，如要運(yùn)行長距離，必須有足夠的比降J。4.1.2.44.1異重流的一般概念584.2.1.14.2異重流的基本方程一、異重流的連續(xù)方程xe第四章異重流㈠二元非恒定異重流4.2.1.14.2異重流的基本方程594.2.1.24.2異重流的基本方程一、異重流連續(xù)方程xe第四章異重流㈡二元恒定異重流與清水連續(xù)方程一樣4.2.1.24.2異重流的基本方程604.2.2.14.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程xe第四章異重流㈠方程建立基礎(chǔ)⑴二元恒定流⑵上面清水靜止⑶清水水面水平4.2.2.14.2異重流的基本方程614.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程??4.2.2.24.2異重流的基本方程624.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程634.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程644.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程654.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程ye第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程664.2.2.24.2異重流的基本方程二、異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2第四章異重流㈡二元恒定異重流運(yùn)動(dòng)方程4.2.2.24.2異重流的基本方程674.3.14.3河渠異重流一、盲腸河段一第四章異重流何為盲腸河段？凡是一端與河道連通，而另一端封閉的河段(圖4-4)。盲腸河段也可能淤積雖然是靜水，但也可因異重流造成淤積。例：黃河下游部分引水閘：閘門關(guān)閉后，引水渠很快淤死。武漢下游青山港：預(yù)計(jì)年均淤積量0.77萬方；結(jié)果沒有考慮異重流淤積，年均淤積量達(dá)18.5萬方，多20余倍。4.3.14.3河渠異重流684.3.2.14.3河渠異重流二、盲腸河段的泥沙淤積過程ye第四章異重流⑴具有形成異重流的條件盲腸內(nèi)靜水，清水；河道動(dòng)水、渾水；密度差產(chǎn)生交界面壓力差，從而產(chǎn)生異重流。⑵異重流潛入盲腸沿程淤積異重流速度較慢，泥沙會(huì)沿程沉淀，粗顆粒淤積在口門，然后向盲端沿程淤積。4.3.2.14.3河渠異重流694.3.2.34.3河渠異重流二、盲腸河段的泥沙淤積過程二第四章異重流⑶橫軸縱向環(huán)流使異重流循環(huán)往復(fù)地將泥沙輸入盲腸河段.動(dòng)量和質(zhì)量的平衡形成橫軸縱向環(huán)流含沙量大的底流不斷流入，含沙量小甚至清水的面流不斷流出，盲腸河段不斷淤積。⑷立軸回流引起回流淤積，形成攔門沙。攔門沙淤積體雖然較集中,范圍不大,但淤積厚,對(duì)航行十分不利(圖4-5)4.3.2.34.3河渠異重流704.3.3.14.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算xe第四章異重流㈠輸沙率公式b?h′?㈡h′的計(jì)算4.3.3.14.3河渠異重流714.3.3.34.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算xe第四章異重流㈢U′的計(jì)算Ⅰ、Ⅱ斷面建立能量方程(盲腸河底、水面均水平圖4-6)，有：4.3.3.34.3河渠異重流724.3.3.44.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算xe第四章異重流㈣S′的計(jì)算異重流含沙量S′與河水含沙量S應(yīng)有一定關(guān)系，設(shè)：㈤h的計(jì)算4.3.3.44.3河渠異重流734.3.3.64.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算xe第四章異重流㈥異重流輸沙率公式的最終結(jié)構(gòu)4.3.3.64.3河渠異重流744.3.3.74.3河渠異重流三、盲腸河段的輸沙量計(jì)算三第四章異重流㈦?yún)R流區(qū)的淤積計(jì)算U、SL4.3.3.74.3河渠異重流754.3.4.14.3河渠異重流