05、第五次课(第二章第二节).ppt

1 第二章思考题P54 6 P54 7 P54 9 P54 10补充思考题 1 阐述摩阻流速在泥沙研究中的重要性 2 Shields曲线有何特点 3 张瑞瑾 唐存本 窦国仁关于粘结力形成的观点如何 4 非均匀沙及砾石和卵石的起动与均匀沙有何区别 5 设水深为h 0 2m 对D 0 05mm粒径的泥沙颗粒 分别采用张瑞瑾公式 窦国仁公式和沙玉清公式计算临界起动平均流速值 2 三 无粘性均匀沙的的起动拖曳力 基本观点细颗粒泥沙的起动受到了近壁层流层 边界层 的影响 近壁层流层对细颗粒泥沙起到了隐蔽作用 使之起动变得困难 根据这一观点 可以建立另一种类型的起动公式 即起动拖曳力公式 3 shields起动拖曳力公式的建立 起动拖曳力起动拖曳力是指泥沙处于起动状态时的床面剪切力 其值等于泥沙起动时 单位面积床面上水柱重量在水流方向的分力 即 2 13 4 爱因斯坦对数流速分布公式爱因斯坦提出如下对数流速分布公式 2 14 为河床的粗糙度 均匀沙 非均匀沙 为考虑水流粘滞性影响的校正系数 为河床相对粗糙度的函数 近壁层流层厚度 为水的运动粘滞系数 5 校正系数与河床相对粗糙度的关系当床面粗糙区 绕流紊流区 当 床面光滑区 当床面过渡区 6 摩阻流速 摩阻流速与水流条件的关系无因次谢才系数则 7 水流作用于泥沙颗粒的流速 近底流速 有效作用流速 与摩阻流速的关系假定作用点 绕流处于紊流区 由爱因斯坦对数流速分布公式得 作用于泥沙颗粒的流速大约为 摩阻流速在泥沙研究中的重要性泥沙的悬浮 起动与水流紊动密切相关 脉动强度的数值与摩阻流速相当 反映了水流的紊动情况 8 希尔兹 A Shields 起动拖曳力公式 Shield数 临界相对拖曳力 的建立有效作用流速 2 15 代入 2 5 式中并取平方 得 9 于是 可得令 2 16 称为Shield数 又称临界相对拖曳力 10 Shields起动拖曳力公式a 反映床面颗粒周围绕流情况的沙粒雷诺数b 对于较细颗粒的泥沙 校正系数和绕流阻力系数是沙粒雷诺数的函数c Shield数是沙粒雷诺数的函数 2 16 可改写为 2 17 11 Shields曲线 原shields曲线 图2 4中的希尔兹紊流曲线 及其特点 12 曲线为马鞍形 在附近 亦即近壁层流层厚度与床沙粒径接近时 泥沙最容易起动 此时有 2 18 此即曲线的最低点 13 床面处于光滑区时 需要更大的拖曳力才能使其运动 在时 也即 希尔兹曲线成为一条斜率为 1的直线 该直线的方程为 2 19 此时起动拖曳力与泥沙粒径无关 14 时 即时 近壁层流层 边界层 不起隐蔽作用 随着粒径的加大 泥沙重力作用增强 起动拖曳力相应加大 在以后 Shields曲线近似水平 Shields数接近常数 2 20 15 Shields曲线的修正a 钱宁对原希尔兹曲线的修正 在以后 临界相对拖曳力与沙粒雷诺数的0 3次方成反比 在沙粒雷诺数很大时 希尔兹取 但其他人的资料表明 此值只能作为上限 下限约为0 04 16 b 层流时的临界相对拖曳力层流中的泥沙起动规律和紊流条件下的泥沙起动不同 层流中泥沙起动要求的拖曳力一般较紊流中大 但对于紊流光滑区来说 由于存在近壁层流层 边壁附近的流态和层流比较接近 这时层流和紊流条件下的试验点据就聚集在一起 以 2 21 为其渐近线 17 运用Shields曲线求起动拖曳力的计算步骤 求参数 在的辅助尺子上找到这一点 通过这一点作与其它辅助线平行的直线 交希尔兹曲线于一点 查到该交点的纵坐标值 即可求出临界起动拖曳力 并得到临界摩阻流速 18 例泥沙粒径为D 5 0mm 求其临界起动Shields数 临界起动剪切应力和临界起动剪切流速 水温20 解 根据Shields曲线图 采用辅助线法计算 辅助线参数值可计算如下 据此查得D 5 0mm的颗粒在Shields曲线上的对应点读图得到临界起动Shields数为 临界起动剪切应力为临界起动剪切流速为 19 20 四 粘性泥沙的起动流速公式实际观测资料表明 对于含粘性的细颗粒泥沙 其起动流速反而增大 而且粒径越细 起动流速越大 用Shields曲线无法解释粒径越细 起动流速 起动拖曳力 越大的现象 对此现象 许多研究者经大量研究后 认为细颗粒泥沙随着粒径减小 起动流速增大 是由于细颗粒泥沙间粘结力作用的结果 21 考虑粘结力时临界起动条件下的动力平衡方程如泥沙起动按滚动模式考虑 则表达颗粒临界起动条件的动力平衡方程式为为粘结力 为粘结力力臂 22 关于粘结力形成原因的不同观点1 张瑞瑾观点张瑞瑾认为细颗粒之间的粘结力主要是因为存在于颗粒之间的束缚水 吸附水膜 不传递静水压力所引起的 23 2 唐存本观点认为存在于细颗粒泥沙之间的粘结力 主要是由于沙粒表面于粘结水之间的分子引力造成的 3 窦国仁观点认为粘结力应由水对床面颗粒的下压力及颗粒间的分子引力两部分组成 24 粘性细颗粒泥沙起动流速公式1 窦国仁公式 2 29 公式单位制 式中 2 张瑞瑾公式 2 30 公式单位制 25 3 唐存本公式 2 31 C为粘结力系数 26 4 沙玉清公式 2 32 对天然沙 上式可简化为 2 33 公式单位除D 以mm计 其它量的单位为kg m s制 式中 为薄膜水厚度 取 0 0001mm e为孔隙率 其稳定值为0 4 27 粘性细颗粒泥沙起动流速计算公式比较1 公式计算结果与试验数据的比较 由图2 7可看出 对于较细颗粒泥沙各家公式计算结果与试验资料比较接近 对于粗颗粒泥沙 D 5mm 则相差较大 尚难判断哪一个公式更可靠 28 从图2 7还可看出 在水深h 15cm情况下 粒径约0 17mm的泥沙起动流速最小 当D 0 17mm时 重力作用占主导地位 粒径越大 起动流速亦愈大 当D 0 17mm时 粘结力作用占主导地位 粒径愈小 起动流速亦愈大 29 2 公式结构的比较上述四个公式中 可以把括号内的第一项看成重力作用项 第二项看成粘结力作用项 作为定量估算 可以认为当D 1mm时 重力占支配地位 粘结力可以忽略不计 当D 0 01mm时 粘结力占支配地位 重力可以忽略不计 但当D 0 1mm左右时 两者作用相当 都必须考虑 30 五 与泥沙起动有关的几个问题1 非均匀沙的起动细颗粒泥沙受到粗颗粒泥沙的隐蔽作用 其起动流速较均匀沙相应粒径要大多 突出在床面上的较粗颗粒 其受到的推移力较均匀沙相应粒径要大 因此起动流速较相应粒径的均匀沙要小 2 起动流速与起动拖曳力两种起动条件比较3 砾石和卵石的起动除受粒径大小和水流条件的影响外 其几何形状和相互间的排列状态对起动影响很大 扁平状的卵石较球形的难以起动 鱼鳞状排列的卵砾石较分散的