泥沙的起动与沉降 ppt课件

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10 20 40 100 200 400 1000
Re *
uD
图 4-10 希尔兹起动拖曳力曲线
希尔兹起动拖曳力曲线具有以下特点:
Re * = 10 ，最易于起动； Re * < 10 ，不易于起动，起动拖曳力随粒 径的减小而加大；
Re* > 10 ，起动拖曳力随粒径的增大而加 大；
Re* > 1000 ，接近一常数0.06。
• “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
克雷默(1935) 根据试验观察的现象，把 推移质的运动分为四个阶段:
1). 无泥沙运动 2). 轻微的泥沙运动 3). 中等强度泥沙运动 4). 普遍的泥沙运动
窦国仁的理论分析
瞬时底流速表示的起动条件：
U o t 1 .2 7 D D * c 1 /6
2 起动流速
由于流速场和剪力场之间存在着一定的 关系，所以可以从起动拖曳力的表达式 推导出泥沙的起动流速公式。如采用对
数流速公式, 可得用UC 代表在临界起动
时的垂线平均流速： 即为Shields数
sU c gD 5.75f(Re*)lo1 g2 .27 K R s
( 对数型起动流速公式 )
如流速分布不采用对数形式而采用 指数流速分布公式, 从而可以得出指数型 的起动流速公式, 这类公式与水深有关, 如应用较多的沙莫夫公式:
Casey Kram er USW ES
Gibert
琥珀
Tison
褐 煤 C. M. White
花岗石 重金石
李昌华
沙
沙
Mantz
沙
S. J. White
沙
Yalin and
Karahen
沙 沙 沙
沙在油中 粉沙 粉沙 粉沙在油中
(层流)
D 0.1
s -
gD
102
103
希尔兹紊流曲线
0.01 0.01 0.02 0.04 0.1 0.2 0.4
CD f (形状、方位、表面粗糙 度、水流紊动强度、 Red )
层流时：CD与Red为直 线关系，斯托克斯 导 出：
F 3D，其中CD 24 / Red
(1.15、 16)
紊 流 时 ： CD与 Red为 无 关 ， 基 本 为 一 常 数 ， CD≈ const.。 过渡状态时：CD与Red成曲线关系，数学 上 难以描述。
• 这就给确定泥沙的临界水流条件带来了困 难，究竟怎样判别泥沙是否起动，目前还 没有一致的看法。
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹娘 ……”
(平方关系)
(1.18)
②紊流状态：CD与Red为无关，基本为一常数，CD≈0.45。则：
＝1.72 s gD
泥沙的起动
• 河床上静止的泥沙颗粒，随着水流条件的 增强，到一定时间时开始运动，这种现象 称为泥沙的起动。
• 维持泥沙颗粒静止状态的平衡条件遭到破 坏，床面泥沙由静止转变为运动的临界水 流条件，就是所谓的泥沙的起动条件。泥
沙的起动条件可以用流速、拖曳力或功率
来表示。
泥沙起动的判别标准
• 泥沙起动是相当复杂的，泥沙起动具有双 重的随机性天然河流中床面的泥沙颗粒形 状、大小、位置及排列组合等均为随机； 水流脉动本身的随机性，导致作用在床面 上某一指定位置上颗粒的力也是随机的。
二、球体的沉速
CD与Red关系 曲线
二、球体的沉速
2、水下重力计算：
W
s
6
D3
3、沉速推导：
F＝W
(1.18)
CD
4
D2
2
2g
＝
s
6
D3
＝
4 3CD
•
s gD
不同的沉降状态，CD具有不同的计算方法，分别如下。 ①层流状态：CD与Red为直线关系，即CD=24/Red，则：
＝ 1 s g D 2 18
床面上泥沙颗粒所受的上举力为FL， 相应的颗粒所受的拖曳力FD为：
W
(s
)D3
6
FDCDD 42
U02
2
FL
CL
D2
4
U02
2
取对数流速公式 ：
U0
y 5.75lo3 g0.2
u
Ks
U0 u f2(uD)
临界起动(滑移)： FDk(W 'FL)
阻力系数 CD、CL 与沙粒形状和 沙粒雷诺数有关，最后得出起动拖 曳力公式:
其中h和D单位取m，算得沉速单位为m/s。
第四章 泥沙的水力特性
一、泥沙沉降的不同形式
1、沉降过程： ①重力>阻力，加速下沉。 ②阻力逐渐增大，而重力恒定，加速度减小。 ③重力＝阻力，加速度＝0，泥沙匀速下沉，沉
速趋于稳定
2、沉速概念： 单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度
(cm/s)。
(s c)Df(u D)
(4-32)
上式的关系见图 4-10，即著名的 希尔兹关系曲线。
c s -wenku.baidu.comD
10 20 30 40 60 80
1
0.8 0.6
层流曲线
0.4
0.2 0.1 0.08 0.06 0.04
0.02
s
c -
D
=
0.10
R
-0.8 e
作 者符号 沙样 作 者 符号 沙样
Shields
Uc
1.14s
gD
h1/6
D
粘性泥沙的起动
窦国仁公式
U cm ln 1K 1 hs
sg
D 0.19 kgh
D
• 当泥沙处于少量起动的临界状态时， m=0.320
• 当泥沙处于个别起动的临界状态时， m=0.256
• 当泥沙处于大量起动的临界状态时， m=0.408
张瑞瑾公式（武水公式）： Uc(D h)0.141.76Ds0.000001D00 0.7h6 2 0
d
一、泥沙沉降的不同形式
3、沉降状态：
①沙粒雷诺数Red= d
②沉降状态：
(沙粒惯性力与水流粘滞力的对比) 。
a、层流状态下降； b、紊流状态下降； c、过渡状态下降：
二、球体的沉速
1、 阻 力计 算公 式：
球体沉降为对称绕流，其阻力F与 2 成正比：
F
CD
4
D 2
2
2g
(1.14)
CD— — 阻 力 系 数 ，
2 .5
3 .6sg D 0 0 *
0gh/D D
• 瞬时底流速为时均底流速与脉动底流速之和，实际 可能出现的最大脉动流速为脉动强度的3倍。
• 个别泥沙起动概率为0.135%,少量起动条件概率 2.28%,大量起动条件概率15.9%。
无粘性均匀沙的起动
1 起动拖曳力
一个圆形球体的水下重量为 W’，