第三次课（第一章第四节）课件

一、泥沙沉降的不同形式 沉降速度定义 单颗粒泥沙在无限大静止清水水体中匀速下沉时的速度，称为泥沙的沉降速度。 简称沉速，符号，单位cm/s。 定义的理解，应注意的几点 泥沙在水中沉降时所受作用力 泥沙在水中沉降特点 研究泥沙沉降的意义,第四节 泥沙的水力特性,2, 泥沙沉降的不同形式 、沙粒雷诺数 、泥沙沉降的运动形式,3,二、球体的沉速 球体沉降阻力 牛顿绕流阻力的一般表达式 圆球沉降时，水体对球体施加的阻力为 (1-14),4, 球体沉降的阻力系数（求解圆球沉降的关键参数！）,球体的阻力系数与雷诺数的关系图（CDReD曲线）,5,试验结果分析： 、球体沉降时的运动状态处于滞流区，沉降阻力主要为粘滞力，阻力系数与沙粒雷诺数成线性关系；,6,试验结果分析： 、球体沉降时的运动状态处于紊流区，沉降阻力主要为紊动阻力，粘滞阻力可以忽略不计。阻力系数与沙粒雷诺数无关，接近于常数 ；,7,试验结果分析： 、球体下沉处于过渡区，沉降阻力中粘滞阻力和紊动阻力都不能忽略。由CDReD图可知，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系。,8, 球体层流区阻力系数的理论解 Stokes从理论上求得，圆球在层流区所受的阻力为 （1-15） 由牛顿绕流阻力所得的圆球绕流阻力的一般表达式 于是，得 (1-16),9,4、球体沉速的一般表达式 列出圆球沉降时力的平衡方程 可得球体在静水中沉速的一般表达式 (1-23),10,4、层流区、紊流区和过渡区圆球沉速公式 、层流区圆球沉速公式（ ） 将 代入球体在静水中沉速的一般表达式 （1-19） 此式即为层流区的球体沉速公式，又称Stokes公式。,11,、紊流区圆球沉速公式 球体沉降处于紊流区，由试验曲线图知， 代入球体在静水中沉速的一般表达式 （1-21）,12, 过渡区球体沉速 过渡区，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系。 (1-23),由于泥沙的形状各不相同，无法得出图1-6那样的简单的泥沙的 关系曲线，在过渡区球体沉速可通过试算求解的办法，对求解泥沙沉速来讲行不通。,三、泥沙的沉速,泥沙与圆球具有同样的沉降机理，球体沉降的阻力规律同样适用于泥沙，只是泥沙的形状复杂，沉降中所受到的阻力较球体沉降阻力大，同粒径的沉速有所减小。,14,、岗恰洛夫公式 层流区沉速公式（ ） 球体层流区沉速公式（Stokes公式） （1-19） 泥沙沉降阻力大于球体沉降阻力，天然泥沙沉速应较球体沉速小，所以应该乘以一个小于1的系数。 泥沙在层流区的岗恰洛夫沉速公式为 （1-24）,15, 紊流区沉速公式（ ） 紊流区泥沙沉降阻力值大致在0.9-1.4之间 岗恰洛夫取 泥沙沉降阻力为 泥沙在水流中的有效重力为 将阻力系数带入 ，并令 便得泥沙在紊流区的沉速公式 （1-25）,16, 过渡区沉速公式（ ）,17,、沙玉清沉速公式 层流区沉速公式（ ） 与岗恰洛夫的考虑相同，得出与岗恰洛夫完全一致的公式 （1-28） 紊流区沉速公式（ ） 沙玉清取紊流区泥沙沉降的阻力系数 得， （1-29）,18, 过渡区沉速公式（ ） 、沉降判数 与粒径判数 令 （1-30）,19,（1-31）,（1-32）,沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式,20,、张瑞瑾公式 过渡区沉速公式（ ） 过渡区的阻力 （1-33） 泥沙的有效重力 （1-34） 取 （1-35） 并令 ，经简单换算，得 利用实测资料，确定 得， （1-36） 张瑞瑾各区统一沉速公式,21, 张瑞瑾层流区与紊流区沉速公式 泥沙在紊流区的阻力为 泥沙在层流区的阻力为 泥沙的有效重力为 分别解泥沙沉降时力的平衡方程，同时利用实测资料确定系数 紊流区 （ ）（1-37） 层流区 （ ）（1-38）,22,四、天然沙的沉速公式的选用 层流区，采用Stokes公式； 过渡区，采用沙玉清的过渡区公式； 紊流区，采用岗恰洛夫紊流区公式； 在实际工作中，常采用张瑞瑾各区统一公式计算沉速。,23,四、其他因素对沉速的影响 、泥沙的形状对沉速的影响 形状不同，颗粒在水中下沉所受的阻力不同，同粒径的泥沙形状愈扁平，阻力愈大，沉速愈小。 阻力系数与形状系数的经验关系为 （1-44） 考虑形状影响的沉速公式为 （1-45）,24,、水质对沉速的影响 浑水的容重、含沙量及其表达式（P58) 单位体积浑水的重量称为浑水的容重，记为 。 含沙量（含沙浓度）即单位体积浑水中所含的泥沙的数量。,25,泥沙絮凝及絮团的沉速主要受以下因素影响： 1、泥沙粒径 2、水中电解质的离子浓度与价位 3、含盐度 4、含沙量,26,、含沙量对沉速的影响 1、对于水体中含较多粗颗粒泥沙 下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊动；浑水容重增加； 沉速减小 2、对于水体中含较多细颗粒泥沙时 下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊动；浑水容重增加；浑水粘滞性增加； 沉速减小 细颗粒泥沙和水中的电解质作用，将发生絮凝现象 含沙量较低（小于15kg/m3），形成互不相连的絮团，增大了颗粒粒径 沉速增加； 含沙量进一步增大（大于15kg/m3），絮团联成絮网结构 沉速将大幅降低。,27,含沙量对沉速的影响，取决于以上各因素的对比关系。 巴切勒用统计理论考虑均匀均匀球体在水中沉降时的相互影响，对非粘性均匀沙得出如下含沙量对沉速影响的公式 （1-46） SV体积比含沙量，s含沙量为SV时的均匀沙沉速，清水单颗粒泥沙沉速。 该式适用于SV<0.05（即S<130kg/m3）的非粘性粗颗粒泥沙在本身悬浮液中的沉降情况。,28,例、分别采用岗恰洛夫公式、沙玉清公式和张瑞瑾（武水）公式计算粒径为D0.05mm，0.5mm，5.0mm的泥沙颗粒沉速，求其沙粒雷诺数并判断其沉降形式（绕流流态），假定水温为20，运动粘滞系数为10-6m2/s。 解：1、D0.05mm 、选用层流区岗恰洛夫沉速公式（ ）,29,、沙玉清层流区沉速公式（ ） 、张瑞瑾公式 a、张瑞瑾层流区公式（ ） b、张瑞瑾各区统一沉速公式,30,用上述结果分别计算D0.05mm的颗粒沉降时的沙粒雷诺数： 采用岗恰洛夫和沙玉清公式的沉速值： 层流流态； 采用张瑞瑾各区统一沉速公式的沉速值： 也是层流流态。,31,1、有一卵石，D=0.1m，从水深h=10m的水面抛入水中，水的流速U=1m/s，若不考虑动水流动的影响，求卵石沉到河底的水平距离？(保留3位小数) 2、P21.4; 3、P21.6 4、P21.7 试比较岗恰洛夫、沙玉清、张瑞瑾的泥沙沉速公式，说明在层流、紊流、过渡区中泥沙沉速的计算公式有何不同？如何判别层流、紊流、过渡区这三种绕流状态？ 5、分别论述水质及含沙量对沉速的影响。,第一章 作业,32,补充思考题 1、求解圆球沉速的关键参数是什么？ 2、如何计算低雷诺数下的圆球沉速？ 3、何为泥沙的水下休止角？泥沙水下休止角与粒径的关系。 4、解释图1-6中阻力系数随沙粒雷诺数的变化关系。,