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河道水流结构

2020-04-09 21:01

河道水流内部运动特征及运动要素的时空分布。是河流动力学的主要研究内容之一。

河道中的水流都是紊流。紊流的基本特征是:流场中任一点的流速、压力等运动要素随时间作不规则的脉动,同时,水流具有扩散和掺混性质,能在水流内部传递动量、热量和质量。紊流的这些特性是由于水流中充满着大小不同的涡体,这些涡体既作上下、左右、前后运动,又作旋转运动。尺度不同的涡体具有不同的特性:大尺度涡体脉动频率低,各向异性,大小与水流形式及边界尺寸有关,从时均流动取得能量,在掺混过程中极不稳定,易分解成次一级尺度的涡体;中等尺度的涡体脉动频率居中,属局部各向同性紊动范围,大小与河床形态和尺寸无关,从大尺度涡体获得能量,不断传递给更小尺度的涡体,在运动过程中仍不稳定,继续分解成小尺度涡体;小尺度涡体脉动频率高,接近于各向同性,大小与水流尺寸无关,从中等涡体取得能量,通过黏滞作用变为热能而消耗。对于大尺度涡体的形成尚有不同看法,近年来,美国一些学者提出了紊流猝发概念,认为涡体是由低速流体的崩解、扩散而产生的。河道边界上的粗糙不平有利于紊动涡体的形成。

河道中的水流结构与各种形式的副流紧密相连,最重要的副流是因流线的弯曲而形成的副流,如弯道环流,表层水流流向凹岸,底层水流流向凸岸,使水流呈螺旋式前进运动。顺直河道也会产生副流,往往形成成对的、甚至若干对的环流,这些环流的成因至今仍无合理的解释,可能与切应力沿断面湿周不均匀分布有关。

除了弯道水流外,河流中还存在着许多其他复杂的副流运动,如河道的分汊和河岸的凹凸不平,因流向突然改变导致水位周期升降激起的水流旋转运动;河弯下游水流产生的竖轴回流以及某些人工建筑物引起的马蹄形旋涡即所谓摩擦副流。另外,泥沙异重流以及温差异重流也可视为一种副流。

紊流对于泥沙起动、悬浮和输移,从而对于河床冲淤演变起着决定性作用。各种形式的副流对于流速场,泥沙输移和河床演变也有重要影响,如弯道环流是造成河弯特殊流速场、切力场,泥沙运动方向、强度以及河弯断面形态的主要因素。

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