《泥沙的沉速》PPT课件.ppt

2.1 泥沙沉降的不同形式,第2章 泥沙的沉速,1、沉速的定义,单颗粒泥沙在足够大的静止清水中等速下沉时的速度，称为泥沙的沉速。用符号表示。,定义的理解，应注意的几点, 泥沙在水中沉降时所受作用力, 泥沙在水中沉降特点, 研究泥沙沉降的意义,2,5. 泥沙在静水中下沉时的运动状态,沙粒雷诺数,3,2.2 泥沙沉速公式,2.2.1 圆球在静水中的沉速, 球体沉降阻力,有效重力,绕流阻力,（2-1）,（2-2）,4,2.2 泥沙沉速公式,2.2.1 圆球在静水中的沉速,2. 球体沉速的一般表达式,有效重力,绕流阻力,（2-1）,（2-2）,由圆球沉降时力的平衡方程W=F,得,（2-3）,5,3. 球体沉降的阻力系数（求解沉速的关键参数！）,图2-2 球体及圆盘的阻力系数与雷诺数的关系图（C d Re d 曲线）,6,试验结果分析：,、球体沉降时的运动状态处于滞流区，沉降阻力主要为粘滞力，阻力系数与沙粒雷诺数成线性关系；,7,试验结果分析：,、球体沉降时的运动状态处于紊流区，沉降阻力主要为紊动阻力，粘滞阻力可以忽略不计。阻力系数与沙粒雷诺数无关，接近于常数 Cd=0.45。,在Red2105之后Cd值的急剧下降是由于球体绕流分离点后移引起的。,8,、球体下沉处于过渡区，沉降阻力中粘滞阻力和紊动阻力都不能忽略。由Cd-Red图可知，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系。,试验结果分析：,9,4. 球体层流区阻力系数的理论解,Stokes从理论上求得，圆球在层流区所受的阻力为,(2-4),圆球绕流阻力的一般表达式 (2-2),得,(2-5),10,5、层流区、紊流区和过渡区圆球沉速公式,（2-3）,、层流区圆球沉速公式（ Red0.5）,将,(2-5),代入球体在静水中沉速的一般表达式,得,(2-6),此式即为层流区的球体沉速公式，又称Stokes沉速公式。,11,、紊流区圆球沉速公式（ Red1000）,（2-3）,代入球体在静水中沉速的一般表达式,得,(2-7),球体沉降处于紊流区，由试验曲线图知，,12,、过渡区圆球沉速公式（ 0.5 Red1000）,过渡区，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系,（2-3）,由于泥沙的形状各不相同，无法得出图2-2那样的简单的Cd-Red关系曲线，在过渡区球体沉速可通过试算求解的办法，对求解泥沙沉速来讲行不通。,2.2.2 泥沙的沉速,泥沙与圆球具有同样的沉降机理，球体沉降的阻力规律同样适用于泥沙，只是泥沙的形状复杂，沉降中所受到的阻力较球体沉降阻力大，同粒径的沉速有所减小。,14,3、岗恰洛夫公式,(2-6),球体层流区沉速公式（Stokes公式）,层流区沉速公式（d0.15mm）,泥沙沉降阻力大于球体沉降阻力，天然泥沙沉速应较球体沉速小，所以应该乘以一个小于1的系数。,泥沙在层流区的岗恰洛夫沉速公式为,(2-21),15,3、岗恰洛夫公式,紊流区泥沙沉降阻力值大致在0.9-1.4之间 岗恰洛夫取 Cd =1.17,紊流区沉速公式（d1.5mm）,泥沙沉降阻力为,泥沙在水流中的有效重力为,将阻力系数带入 F ，并令F=W,(2-22),16, 过渡区沉速公式（0.15d1.5mm）,17,4、沙玉清公式,与岗恰洛夫的考虑相同，得出与岗恰洛夫完全一致的公式,层流区沉速公式（d0.1mm）,沙玉清取紊流区泥沙沉降的阻力系数 Cd =1.02,紊流区沉速公式（d2mm）,(2-26),18,4、沙玉清公式,紊流区沉速公式（d2mm）,(2-26),上述公式中单位用国际单位：m/s,g:m/s2,d:m,公式单位若为：cm/s,g:cm/s2,d:mm,19,沉速判数 Sa 与粒径判数 ,过渡区沉速公式（ 0.1d2mm）,令,20,上述公式中单位用国际单位：m/s,g:m/s2,d:m,公式单位若为：cm/s,g:cm/s2,d:mm,21,公式单位为：国际单位。,采用国际单位的沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式,公式单位若为：cm/s,g:cm/s2,d:mm,（2-25）,22,1、张瑞瑾公式,泥沙过渡区的阻力,泥沙的有效重力,取,并令,（2-9）,（2-11）,（2-12）,张瑞瑾各区统一沉速公式,牛顿绕流阻力的,Stokes圆球层流区阻力,紊流区Cd=0.45(常数),23,张瑞瑾层流区与紊流区沉速公式,泥沙在紊流区的阻力为,泥沙的在层流区的阻力为,泥沙的有效重力,分别解泥沙沉降时力的平衡方程，同时利用实测资料确定系数,（d4mm）,层流区,紊流区,（d0.1mm）,24,5、规范推荐计算公式,d0.062mm，采用冈恰洛夫滞流区公式（2-21）,0.062d2.0mm，采用沙玉清过渡区公式（2-25）,D2.0mm，采用沙玉清紊流区公式（2-26）,(2-21),（2-25）,(2-26),25,2.3 影响泥沙沉速的各种因素,颗粒形状、含沙量、边壁条件、紊动、絮凝、水质等。,影响泥沙沉速的主要因素有：,26,含沙量（含沙浓度）：单位浑水中所含的泥沙的数量。,概念1,27,比表面积：颗粒表面积与其体积之比，即单位体积颗粒所具有的表面面积。,概念2,球体的比表面积为6/D，泥沙颗粒比表面积约为6/D。,絮凝:当水质中含有较多的细颗粒泥沙，特别是再含有复杂的化学成分时，泥沙不再以单颗粒的形式下沉，而是结成一团下沉，这种现象称为絮凝现象。,概念3,28,2.3.1 颗粒形状对沉速的影响,形状不同，颗粒在水中下沉所受的阻力不同，同粒径的泥沙形状愈扁平，阻力愈大，沉速愈小。,阻力系数与形状系数的经验关系为,考虑形状影响的沉速公式为,29,1、泥沙粒径,影响泥沙絮凝作用的因素包括：,2、矿物成分,3、含沙量,4、水质,水析法测量泥沙粒径：采用去离子水并加反凝剂。,30,2.3.2 含沙量对沉速的影响,1、对于水体中含较多粗颗粒泥沙,下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊动；浑水容重增加；使得沉速减小,31,2.3.2 含沙量对沉速的影响,2、对于水体中含较多细颗粒泥沙时,下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊动；浑水容重增加；浑水粘滞性增加；使得沉速减小,细颗粒泥沙和水中的电解质作用，将发生絮凝现象。,32,2.3.2 含沙量对沉速的影响,2、对于水体中含较多细颗粒泥沙时,含沙量对沉速的影响，取决于以上各因素的对比关系。,含沙量较低（小于15kg/m3），形成互不相连的絮团，增大了颗粒粒径，造成沉速增加；,含沙量进一步增大，絮团联成絮网结构，使得沉速大幅降低。,33,例、计算粒径为d0.05mm，0.5mm，5.0mm的泥沙沉速，假定水温为20，运动粘滞系数为10-6m2/s。,解：1、D0.05mm,选用层流区岗恰洛夫沉速公式,34,张瑞瑾公式,1、D0.05mm,35,2、D0.5mm,沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式 （单位采用kg、m、s制）,解得,36,张瑞瑾公式,2、D0.5mm,37,3、D5mm,沙玉清紊流区沉速公式,张瑞瑾各区统一沉速公式,38,作业一,1、有一卵石，d=0.1m，从水深h=10m的水面抛入水中，水的流速U=1m/s，若不考虑动水流动的影响，求卵石