第1章河道水流.doc

第一章 河道水流 河道中的水体是在重力作用下，克服阻力而运动的。在不同的边界条件下形成不同的流动状态，在动床上还可形成浑水的流动。本章将分析河道中清水水流的一些基本特性以及紊流的形成和特性。对于与河流中的泥沙运动有直接关系的素动切应力及其流速分布，将作较详细的讨论。在此基础上，再研究河道二元流的水流阻力，并对空间阻力问题的目前研究成果作些介绍。应用能量平衡原理是分析挟沙水流运动的基本方法之一，本章最后还将讲述清水水流在垂线上各种能量的平衡关系。 1.1 河道水流的一般特性 河流是河道和水流两部分相互作用下的水流运动。河道是水流运动的固体边界，一般由泥土、砂粒、卵石和顽石等组成，统称为泥沙，有些局部流段也可以是不能动的基岩。水流在河道上运动，在一定条件下，河道上的泥沙也要运动，并因不同的水流条件形成不同的河床形态，河床形态的变化也改变了对水流的阻力，从而又影响到水流的运动。此外， 由水流推动的泥沙也可能被掀起而扩散到水流中，在河道上形成水和沙(即液相与固相)相混合的挟沙水流(两相流)．这种浑水的运动规律与清水运动不完全相同。 河道的平面形态常常是弯曲蜿蜒的，横断面的大小和形状沿程变化。河床纵剖面起伏不平，平均底坡也是沿程变化的。河道水位、流量、比降等因素常常是随时而变，也就是非恒定流动。 河弯水流是河道中常见的水流现象，这是一种三元流动。在河弯处，由于离心惯性力和重力的联合作用，形成水面的横向比降，水流除沿河道的纵向流动外，在横断面上还有横向和单中的运动，在横断面上看像是环流，而从整个河道水流来看，实际上是横向运动与纵向运动结合的螺旋流(图1-1)，这是河弯水流的重要特性。在螺旋流作用下，河弯的凹岸受到冲刷，并将泥沙带到凸岸淤积下来。 图1-1 河弯环流 在比较顺直的河段中，当流量随时间变化较剧时，也常常产生较微弱的环流，又称次生流，如图1-2所示，河流涨水时，两岸水位低于断面中间水位，产生河底水流向两岸分散的两个环流，又称分散流。此时河底冲刷，两岸淤积。相反，当河流退水时，则产生向河底聚集的两个微弱环流，又称集合流，此时两岸产生冲刷，中间淤积。此外，在比较宽浅的河道中也会出现成对的次生环流，如图1-3所示。 图1-2 流量急剧变化时的环流 图1-3 宽浅河道中的环流 当河道在平面上突然扩展时，在两侧要形成竖轴回流，回流区不通过流量，而要消耗水流能量，当水流挟沙时，在两侧也可能发生淤积。 在河道中，河床和岸壁一般是由大小不同的泥沙组成，也就是说，河道的周壁都是相当粗糙的。而河道中的水流雷诺数很大，除了局部流区外，其雷诺数都超过临界值，故一般都为紊流。水流的紊动要增加能量的消耗。同时，紊动又具有扩散性，在其运动过程中，紊动扩散伴随着水流的能量、动量、热量以及质量的传递作用。 例如，由于紊动剪切作用，河道周界上泥沙被冲刷并扩散到水流中从而形成挟沙水流。 在紊动的水流内，存在着不同尺度的紊动涡体，简称为涡体(或涡漩)。这是因为水流运动总是存在着流速梯度，以及边壁粗糙和其它局部分离，使水流内部不断产生尺度不同的涡体，这些涡体不断旋转，并向四周扩散，使水流中充满各种尺度的涡体。柯尔莫戈洛夫曾作过这样的假想：紊流中的涡体分为大尺度、中等尺度和小尺度三种，大尺度涡体在紊动混掺过程中，由于本身的不稳定又分解为次一级即中等尺度的涡体，这种涡体在运动中还是不够稳定的，因而继续分解为小尺度涡体，一直分解到最小涡体，此后，这种涡体的运动能量通过粘滞作用而消耗完毕，涡体也就随之消失。 大尺度涡体的脉动频率低、周期长(图1-4)，并是各向异性的(即在一点上三个方向的紊动特征值不等)。小尺度涡体具有声频率、短周期，各向同性的特征。因为大尺度涡体在分解过程中强烈的掺混作用，使其原来的各向异性的影响愈来愈小，当分解为小涡体时就接近于各向同性了。在整个紊流中具有各种尺度的涡体，因而也存在各种不足频率的索动，所以紊流具有连续的频率谱。 从能量的传递来看，由于大涡体的不稳定性，在运动过程中不断分解，因而将大部分能量在分解过程中传递给中等涡体，其本身含能量不是最多的。中等涡体的含能最多，就象储蓄能量的“仓库”，亦称载能涡体，这种涡体在分解时又将能量传给小尺度涡体。小涡体通 图1-4 不同尺度涡漩的紊动示意图 图1-5 各种涡体的含能情况 过高频率的紊动，其能量因克服粘性阻力转变为热能而消耗，故小涡体消耗能量最大。图1-5为各种尺度涡体含能示意图，图中E()表示能谱函数，其定义为 （1.1） 为脉动流速（分量）均方值，它反映涡体紊动能量的大小；为