泥沙运动理论第一章.ppt
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1、第一章 泥沙特性,泥沙的几何特性泥沙颗粒的形状、大小以及群体泥沙的组合特性。,泥沙的定义:是指在流体中运动或受水流、风力、波浪及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑。,11 泥沙的几何特性,一、泥沙的粒径,泥沙的颗粒大小,通常用泥沙的直径来表示。,等容粒径:与泥沙颗粒体积相等的球体的直径。(简称为粒径,常用单位:mm。),算术平均粒径:,一、泥沙的粒径,几何平均粒径:,-分级法表示泥沙的粒径,一、泥沙的粒径,式中:D为粒径(); 为指数。,值与粒径D的关系,一、泥沙的粒径,泥沙颗粒分级标准,一、泥沙的粒径,二、沙样组成与粒配曲线,下一页,返回,上一页,粒配曲线: 小于粒径D泥沙重量占总数的百分
2、比 曲线越平缓粒径越不均匀 粒径的大小 中值粒径D50 平均粒径Dm,常大于D50 沙样的均匀程度 分选系数(非均匀系数):S0=(D75/D25)1/2 S0=1 沙样均匀;越大越不均匀,二、沙样组成与粒配曲线,从图中可以反映两个方面的问题:,二、沙样组成与粒配曲线,每一组沙样中的泥沙粒径大小及其变化范围。,每一组沙样组成的均匀程度。,如:颗粒曲线a组成较粗,曲线b组成较细;,曲线d组成较均匀,曲线c组成不均匀。,三、特征粒径,表示某一沙样中泥沙粒径的大小,一般采用两种表示方法:,中值粒径d50 ,它表示大于、小于该粒径的泥沙重量各占整个沙样的一半,P=50% 。,平均粒径dm ,它是各档泥
3、沙粒径的加权平均值。,三、特征粒径,公式:,n划分的组次,Di各组泥沙的平均粒径,它是将粒配曲线的纵坐标(p)按变化情况分成若干组,在横坐标(D)上定出各组泥沙粒径的上、下限粒径Dmax 和Dmin。 Di= (Dmax +Dmin ),pi各组泥沙在整个沙样中所占重量的百分比。,非均匀系数,三、特征粒径,=1,均匀;愈大愈不均匀。,或, 值愈小,组成愈均匀。,泥沙中孔隙的容积占沙样总容积的百分比称为孔隙率。泥沙孔隙率因沙粒的大小及均匀度、沙粒的形状、沉积的情况以及沉积后受力大小及历时长短而有不同。,四、 泥沙的孔隙率,五、细颗粒泥沙的物理化学特性,物理化学作用的强弱与颗粒比表面积的大小有关,
4、所谓比表面积就是颗粒表面积与其体积之比,对于球体其比表面积的表达式为:,这样D=1m与D=1mm的沙粒相比,前者为后者的一千倍,最主要的是细颗粒泥沙有絮凝现象产生。,泥沙颗粒的重率 泥沙的干容重 泥沙的水下休止角,12 泥沙的重力特性,一、泥沙颗粒的容重,泥沙的容重泥沙颗粒单位体积的重量(无空隙)常用符号s。,工程单位吨力/米3或公斤力/米3(国际单位:牛顿/米3 )。,根据资料,天然河流中泥沙容重变化范围一般均在2.552.75吨力/米3之间,实际工作中常用其平均值s =2.65吨力/米3 。,分析计算中常出现,一、泥沙颗粒的容重,a 为无因次数,有效容重系数(有效密度系数),通常取 a=1
5、.65。,二、泥沙的干容重,定义:单位体积的沙样干燥后泥沙的重量叫“干容重”,用c表示,一般c s 。,获得干容重的方法:取原状沙样量出它的体积(含有孔隙、水、空气等),然后放进烘箱里烘干,称出它的重量,求出重量与原状沙样体积的比值,这样得到泥沙的干容重。,工程单位仍是吨力/米3或公斤力/米3 ,所不同是,干容重的变化范围较大,其数值在0.31.7吨力/米3之间。,影响的主要因素是:泥沙颗粒的大小、组成的均匀程度、淤积的深度、淤积的历时等。此外,泥沙的化学成分、淤积环境、水文条件等。,二、泥沙的干容重,泥沙粒径较粗的泥沙干容重大,变化 范围小;反之,粒径较细的泥沙干容重小,变化范围大。主要是孔
6、隙率的影响。,二、泥沙的干容重,泥沙淤积深度愈深,其干容重愈大,变 化范围愈小;反之,淤积深度愈浅,其干容重愈小,且变化幅度愈大。主要是受压影响。,干容重随淤积历时的增加而趋向于一个稳定值。,三、泥沙的水下休止角,定义:泥沙在水中,由于颗粒之间的阻力作用,在静止时自成一定的坡面,坡面与水平面所成的角度叫做“水下休止角”。,f0=tg , f0 称休止阻力系数。,f 0对于散颗粒一般随粒径的减小而减小,如砾石f0 =0.6;沙f0 =0.5;粉沙f0 =0.3。 空隙率 0.7时,就近于浑水f0 0。,上一页,基本概念 绕流阻力 沉速公式,13 泥沙的水力特性(泥沙的沉速),一、基本概念,1.沉
7、降速度基本概念,如果取W泥沙颗粒的有效重量;F泥沙颗粒受到的阻力。,写成方程:W=F,定义:泥沙单颗粒在静止的清水中作匀速下沉时的速度,称为泥沙的沉降速度,简称沉速。符号,常用单位cm/s。,一般说来,泥沙的颗粒粗,相应的沉速大,泥沙颗粒细,相应的沉速小,所以可以根据沉速的大小来反映泥沙颗粒的大小,又称沉速为水力粗度。,一、基本概念,用电影摄影机拍摄的泥沙下沉的过程以及从理论分析可知,泥沙下沉时,处于加速运动的时间是很短的。一般石英质泥沙,重率s =2.65吨力/米3,在D=3时,这个时间常不到1/10秒;在D=1时,不到1/20秒。粒径越细,加速过程所经过的时间越短。,一、基本概念,一、基本
8、概念,1.泥沙沉降的不同形式 沙粒雷诺数 ReD= D/ 判断三种沉降形式的主要指标 三种沉降形式 层流区: ReD 1000 过渡区: ReD 0.51000,上一页,2.沉速的基本公式,一、基本概念,CD 为阻力系数,与泥沙形状、方位、表面粗糙、水流紊动强度、沙粒雷诺数(ReD=D/)有关。,对于单颗粒球体在无限水体中匀速下沉时,其沉降机理可视为对称绕流运动,其绕流阻力为:,有效重量(力),一、基本概念,匀速下沉时,阻力F应与球体在水中受到的有效重力W相等。F=W,一、基本概念,D; /s; 2/s,这样解出沉速,这是确定沉速的基本公式,这里的难点是CD是一个未知数,所以关键是找出阻力系数
9、CD的规律,且CD ReD有关, ReD=D/ 。,二、绕流阻力,由于水流跟泥沙颗粒表面之间产生摩擦,要形成阻力这部分阻力称为表面阻力,又称粘滞阻力。,当泥沙颗粒下降时,在尾部会出现一些空隙,由于液体的连续性,周围水体将流过来填补,从而形成小的漩涡,引起副压力,它和泥沙前端的正压力合并起来形成的阻力,称为形状阻力,又称惯性阻力。,归纳起来,泥沙在水中下沉的时候,由于水流跟泥沙颗粒之间发生相互作用所产生的阻力,我们统称为绕流阻力,它由表面阻力和形状阻力两部分组成。,二、绕流阻力,CD 与ReD的关系:根据理论是实验表明,绕流阻力规律主要与绕流流态有关,而流态与沙粒雷诺数有关ReD=D/,二、绕流
10、阻力,上一页,1.当ReD 0.5,二、绕流阻力,泥沙颗粒直线下沉,四周水体紧贴泥沙颗粒,背后不发生分离现象,绕流呈层流状态,此时,绕流阻力主要是表面阻力在1851年G.G.Stokes以粘滞性流体的一般运动方程作基础,忽略因水质点的加速度,从理论上推导出球体在层流区内所受阻力。,F=3D (/m3m2/sm/sm = m/s2),二、绕流阻力,改写,这样,Stokes导出了在层流状态下的绕流阻力系数。,当F=W,Stokes导出球体层流区公式,Stokes公式。,二、绕流阻力,长期以来,有些人认为泥沙形状不是球体,而是近似于椭球体,所以阻力系数应大些,建议乘以4/3,这样就得到,2.当ReD
11、 1000时,二、绕流阻力,泥沙颗粒呈盘旋下沉,周围水体发生强烈的扰动,颗粒背后有明显的分离现象,绕流呈紊流状态,此时绕流阻力主要是形状阻力。根据实验,这时的绕流阻力系数CD接近一个常数0.45。,在球体情况下,CD 0.45,二、绕流阻力,对于天然泥沙, CD= 1.2 (由于形状不规则,阻力系数大一些),对于球体,对于泥沙,3.当0.5 ReD 1000,二、绕流阻力,泥沙颗粒呈摆动下沉,这时绕流属过渡状态,其绕流阻力既有表面阻力,又有形状阻力,关系比较复杂。1910年,奥辛部分地考虑了惯性项(忽略高阶无穷小)求出比较精确的计算公式,这就是过渡状态的绕流阻力系数,这一结果与实验资料不太符合
12、,且随着雷诺数增大,偏差也大。,二、绕流阻力,对于层流区,紊流区的绕流阻力问题,结果都比较可靠,基本上得到了满意的解答,但对于过渡区的绕流阻力问题,在目前来讲仍处于一个不很清楚的问题。因此,在计算沉速时,就不得不借助于实验来求沉速的公式。先用实验资料来确定ReD与CD的关系,再计算沉速。,二、绕流阻力,二、绕流阻力,很多方法都是从球体出发,但天然泥沙并非球体,它在下沉时受到的阻力比球体大,其阻力系数通常根据实验确定,关于泥沙的沉速,中外学者提出不少。 基本原理、基本方法大同小异 所得公式结构相近 过渡区复杂,各家公式百花齐放,岗恰洛夫公式,三、沉速公式,层流区 ( D 0.15 ):,紊流区
13、( D 1.5 ):,三、沉速公式,过渡区 ( 0.15 D 1.5 ):考虑层流区和紊流区沉速公式的结构形式,认为在过渡区来说,几个主要变量的次方,应该介于层流区与紊流区之间。考虑量纲法则得到过渡区沉速公式,三、沉速公式,反映粒径和温度变化改变粘滞性影响的一个附加因素。,沙玉清公式,三、沉速公式,层流区 ( D 0.1 ):,紊流区 ( D 2 ):,三、沉速公式,过渡区 ( 0.1 D 2 ) :引进两个无因次判数,一个名为沉速判数Sa,是沙粒雷诺数D/及阻力系数CD的函数。,三、沉速公式,另一个名为粒径判数,是沙粒雷诺数与沉速判数的函数 。,三、沉速公式,张瑞瑾公式,三、沉速公式,泥沙下
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- 泥沙运动 理论 第一章
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