河流动力学-C4异重流课件

11.3.31(5周)四11.4.5(6周)二11.3.31(5周)四11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1第四章异重流本章内容简介2异重流的一般概念24.00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。4.00第四章异重流异重流是挟沙水流的一种特殊运动形式，34.1.1.14.1异重流的一般概念一、异重流的成因xe第四章异重流㈠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。4.1.1.14.1异重流的一般概念44.1.1.24.1异重流的一般概念一、异重流的成因ye第四章异重流㈡异重流的分类⑴按成因及形状分类：①温差异重流：②盐水异重流：③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。4.1.1.24.1异重流的一般概念54.1.1.24.1异重流的一般概念一、异重流的成因xe第四章异重流㈡异重流的分类⑵按出现位置分类：①下异重流：②上异重流：③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轻的流体之间存在第三种流体运动；如云层运动。4.1.1.24.1异重流的一般概念64.1.1.34.1异重流的一般概念一、异重流的成因xe第四章异重流㈢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。4.1.1.34.1异重流的一般概念74.1.1.44.1异重流的一般概念一、异重流的成因一第四章异重流㈣浑水异重流对水利建设方面的影响⑴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3~5倍，故淤积体积大，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。⑵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3~4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4.1.1.44.1异重流的一般概念84.1.2.14.1异重流的一般概念二、异重流的特性xe第四章异重流㈠异重流的特性Why？异重流与一般流体相比具有三大特性：⑴异重流的重力作用显著减小；⑵异重流的惯性作用相对增强；⑶异重流的阻力作用十分突出。4.1.2.14.1异重流的一般概念94.1.2.24.1异重流的一般概念二、异重流的特性ye第四章异重流㈡异重流的重力作用显著减小？⑴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)4.1.2.24.1异重流的一般概念104.1.2.24.1异重流的一般概念二、异重流的特性ye第四章异重流㈡异重流的重力作用显著减小？⑵异重流的有效重量(水下重量)：4.1.2.24.1异重流的一般概念114.1.2.24.1异重流的一般概念二、异重流的特性xe第四章异重流㈡异重流的重力作用显著减小？⑶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。同学们可从周围介质进行理解！4.1.2.24.1异重流的一般概念124.1.2.34.1异重流的一般概念二、异重流的特性xe第四章异重流㈢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)。4.1.2.34.1异重流的一般概念134.1.2.44.1异重流的一般概念二、异重流的特性4.1第四章异重流㈣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，如要运行长距离，必须有足够的比降J。4.1.2.44.1异重流的一般概念144.2.1.14.2异重流的基本方程一、异重流的连续方程xe第四章异重流㈠二元非恒定异重流4.2.1.14.2异重流的基本方程154.2.1.24.2异重流的基本方程一、异重流连续方程xe第四章异重流㈡二元恒定异重流与清水连续方程一样4.2.1.24.2异重流的基本方程164.2.2.14.2异重流的基本方程二、异重流运动方程xe第四章异重流㈠方程建立基础⑴二元恒定流⑵上面清水静止⑶清水水面水平4.2.2.14.2异重流的基本方程174.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程??4.2.2.24.2异重流的基本方程184.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程4.2.2.24.2异重流的基本方程194.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程4.2.2.24.2异重流的基本方程204.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程4.2.2.24.2异重流的基本方程214.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程ye第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程4.2.2.24.2异重流的基本方程224.2.2.24.2异重流的基本方程二、异重流运动方程4.2第四章异重流㈡二元恒定异重流运动方程4.2.2.24.2异重流的基本方程234.3.14.3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。4.3.14.3河渠异重流244.3.2.14.3河渠异重流二、盲肠河段的泥沙淤积过程ye第四章异重流⑴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。⑵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。4.3.2.14.3河渠异重流254.3.2.34.3河渠异重流二、盲肠河段的泥沙淤积过程二第四章异重流⑶横轴纵向环流使异重流循环往复地将泥沙输入盲肠河段.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。⑷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)4.3.2.34.3河渠异重流264.3.3.14.3河渠异重流三、盲肠河段的输沙量计算xe第四章异重流㈠输沙率公式b?h′?㈡h′的计算4.3.3.14.3河渠异重流274.3.3.34.3河渠异重流三、盲肠河段的输沙量计算xe第四章异重流㈢U′的计算Ⅰ、Ⅱ断面建立能量方程(盲肠河底、水面均水平图4-6)，有：4.3.3.34.3河渠异重流284.3.3.44.3河渠异重流三、盲肠河段的输沙量计算xe第四章异重流㈣S′的计算异重流含沙量S′与河水含沙量S应有一定关系，设：㈤h的计算4.3.3.44.3河渠异重流294.3.3.64.3河渠异重流三、盲肠河段的输沙量计算xe第四章异重流㈥异重流输沙率公式的最终结构4.3.3.64.3河渠异重流304.3.3.74.3河渠异重流三、盲肠河段的输沙量计算三第四章异重流㈦汇流区的淤积计算U、SL4.3.3.74.3河渠异重流314.3.4.14.3河渠异重流四、水库异重流形成条件xe第四章异重流㈠潜入点的特点交界面突变。4.3.4.14.3河渠异重流324.3.4.24.3河渠异重流四、水库异重流形成条件ye第四章异重流㈡形成条件图4-64.3.4.24.3河渠异重流334.3.4.24.3河渠异重流四、水库异重流形成条件四第四章异重流㈡形成条件4.3.4.24.3河渠异重流344.3.5.14.3河渠异重流

五、防止或减少盲肠河段异重流淤积的措施ye第四章异重流⑴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％。4.3.5.14.3河渠异重流ye第四章异重流⑴合354.3.5.34.3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⑵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