沉积学与能源矿产 2第二章 实验沉积学2

从物理意义而言，雷诺
数（Re）就是惯性力/粘滞
力，惯性力越大（流速，管 直径等和密度越大），Re数 越大，流体向湍流过渡。
实 验 结 果 表 明 , 随 着 Re 的增大，而在圆柱体背流面 逐渐发展起来的背流尾迹， 即旋涡流。
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学
自然界中大多数水体呈紊流运动，但由于固体 边界效应（床底和两壁摩擦）使纵向流速不同（向 下递减），使Re数向下减小，致使下部水体过渡为 层流，这一层流底层的存在对沉积物的搬运和沉积 起着重要作用。
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学
Re vFra Baidu bibliotek
层流底层的厚度是随雷诺数的增加而减小的。 层流底层的存在对沉积物的搬运和沉积起着重要的 作用，使得沉积物与流体之间界面上不断发生的沉积和 搬运的交替作用非常活跃。
3. 福劳德数（ Fr ）
Fr u gh
相当于 惯性力 重力
u－平均流速 g－重力 h－水深
Fr --是表示惯性力和重力间比率的一个量纲数。 可以判别明渠水流的流态，是区分急流和缓流和标志
Fr ＜1的为缓流（低流态或称下部流动体制）代 表水深流缓的流动特点。
Fr ＞1时为急流（高流态或称上部流动体制）代 表水浅流急的流动特点。
Fr ＝1时为临界流，即重力波波长等于水深时。
缓流的流速低，
惯性力影响较小，
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学
底负载搬运指颗粒 以连续地或间歇地接触 底床的方式进行运动的 搬运方式。可分为跳跃 和滚动搬运两种。
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学
一、流体力学的基本概念 1. 内摩擦定律（ τ ）
流体包括水流和大气流 从流体力学性质来看，凡服从牛顿内摩擦定律的流 体称作牛顿流体（牵引流） 否则称作非牛顿流体（沉积物重力流）
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内摩擦定律：
du
dy
表示粘滞切应力与动力粘度 和流速梯度之间的关系。
τ －单位面积上的内摩擦力（粘滞切应力）
如河道中的流水，因受床底（固体边界）的影响， 使流速从水面向下降低。它符合牛顿内摩擦定律,属牛 顿流体。牵引流属牛顿流体。
而沉积物重力流不符合该定律，属非牛顿流体。
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学
2. 雷诺数（Re）
自然界任何流体有层流和紊流（或称为湍流）两 种流动形态。
层流是一种缓慢流动，流体质点做有条不紊及平 行和线状运动，彼此不相掺混。
因此，紊流的搬运能力要强于层流。并且紊流还具 有漩涡扬举作用，这是使沉积物呈悬浮搬运的主要因素。
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从沉积物沉积时遭受的阻力来说，紊流兼有粘滞 阻力和惯性阻力，层流则只有粘滞阻力，因此沉积物 不易从紊流中沉积下来，而在层流中则如同在静水中 一样很容易沉积下来。
Re vd
第二章 实验沉积学
第一节 概述 第二节 流体力学 第三节 底形与层理形成机制 第四节 水槽实验
第二章 实验沉积学
第一节 概述
流体的类型：水（单向流水、波浪）、 空气（风）、冰。
河流——单向水流
瀑布——单向水流
第二章 实验沉积学
第一节 概述
海岸带—双向水流运动
第二章 实验沉积学
第一节 概述
双向流动
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（1）颗粒的搬 运方式和沉积方式
颗粒在水体作 用下主要是两种搬 运方式：悬浮搬运 和底负载搬运。
悬浮搬运指颗粒悬浮在流体中搬运，不与底床相 接触。悬浮搬运发生在湍流中，因湍流产生的漩涡流 具有向上的扬举作用。通常粉砂和泥级颗粒呈悬浮搬 运。但是当湍流强度增大时，所悬浮的粒度也增加。
单向流动
第二章 实验沉积学
第一节 概述
风力的搬运和沉积形成大片的戈壁，荒漠，堆积成沙丘，沙垄。
第二章 实验沉积学
第一节 概述
千万年来，冰川从 理塘的高原上拖曳而过， 在地上留下犁耙扫过似 的痕迹。
这么大的卵石，流水是无 法搬动的，将它们运送到此的， 是已经消融的冰川。
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学τ
水流自由表面（水
面）形态不直接影
响到底形（床河底
冲蚀 沙丘
形）。
急流流速高， 惯性力大，水流自 由表面形态对底形 有较明显的影响， 构成同相位波。
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学
因此内摩擦定律（τ），雷诺数（Re）和福劳德 数（Fr）是沉积学中三个重要的物理参数
内摩擦定律（τ）是区分牛顿流体和非牛顿流体 雷 诺 数（Re）是区分层流和湍流 福劳德数 （Fr）是区分缓流和急流的重要指标
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二、牵引流（牛顿流体）的搬运与沉积作用
牵引流－属牛顿流体（它包括流水和空气流）。 在这种流体中，沉积物搬运动力是流体流动所产生的 推力（牵引力），使沉积物以底负载搬运为主的流体。
1、流水的机械搬运与沉积作用 水体的流动是由于地形高差或其它外力作用影响 下产生的流动。它即可搬运碎屑物质，也可搬运溶解 物质（物理、化学搬运）。
紊流是一种充满了 漩涡的湍急的流动，流 体质点的运动轨迹极不 规则，其流速大小和流 动方向随时间而变化， 彼此互相掺混。
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学
层流和紊流的水力学性质及对沉积物的搬运和沉 积特点是不一样的，现以流水为例予以说明。
第二章 实验沉积学 第二节 流体力学
层流与紊流的判别
准则是雷诺数（Re）
Re vd
ν－流体流速；d －某些长度单位（如管直径、
流动深度、颗粒直径）；ρ－流体密度；μ－动力粘
度。
Re 500时，层流 Re＝500 ~ 2000时，过渡流 Re＞2000时，湍流
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层流与紊流具有不同的力学特点。紊流不仅具有剪 切应力（τ） ，而且还有流体质点的紊乱流动而引起 的附加切应力（或称为惯性切应力）；而层流只有剪切 应力。
du －流速梯度（剪切变形率）（u-流体流速，
dy
y-流体内两滑动面间距离）
μ －动力粘滞系数（动力粘度）
随着 du 的变化，μ值始终保持一常数，属牛顿流
dy
体；μ值随之变化时，属非牛顿流体
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由于流体的动力粘滞系数（μ），使流体在运动状 态下，具有一种抵抗剪切变形的能力。使各水层之间流 速不同。具有这种性质的流体即为：牛顿流体。