沉积古地理(3)沉积学相关的流体力学基础.docx

沉积古地理(3)沉积学相关的流体力学基础 目录 o 第一章绪论 o 第二章沉积物的来源 o 第三章沉积学相关的流体力学基本原理o 第四章沉积物的搬运和沉积作用 o 第五章沉积环境的主要判别标志 o 第六章大陆环境及相模式 o 第七章海陆过渡环境及相模式 o 第八章海洋环境及相模式 o 第九章板块构造与沉积作用 o 第十章沉积盆地及古地理分析 本章内容 o 第一节概述 o 第二节流体的粘滞性和内摩擦定律 o 第三节急流、缓流与福劳德数 o 第四节层流、紊流与雷诺数 o 第五节空气的几个流体力学问题 动板实验：两块平行的平板，其间充满静止流体当下板固定不动，上板以匀速平行下板运动时，两板之间的流体便处于不同速度的运动状态，即呈现出：附 在河道中的流水，因受固体边界影响，使得由河底往上流速逐渐增大，由于各水层的流速不同，各水层之间就要产生相对运动，从而产生成对的切力（拖 曳力、阻滞力） 粘滞流体： 流体都具有一定的粘滞性。

当它沿容器器壁流动时，由于附着力的作用，与壁紧接的一层粘附其上(流动慢)，而邻层则相对于这层滑动(快)，这是因为, 流体流动受到阻力所以, 流体具有粘滞性 流体的粘度对流动影响极大 粘度小，流动性好，摩擦阻力小； 粘性大，流动性差，增加了流体摩擦阻力 粘滞性： 粘滞性的概念：流体内部阻碍其相对流动的一种特性 如上所述，平行于流动方向，相邻流层之间存在粘滞力 粘度的表示: 相距1厘米的两层速度相差表示为:1cm／秒，则作用在1cm2上的粘滞力规定为流体的粘滞系数(单位：泊)表示流体粘滞性的大小 粘滞系数随温度而变，当温区升高时，液体的粘滞系数减小，而气体则增加下表为几种流体的粘滞系数: 二、牛顿内摩擦定律(粘滞定律) 内摩察力、内摩擦定律、牛顿流体、非牛顿流体 内摩察力：一对大小相等, 方向相反的拖曳力和阻滞力 内摩察力(F)与接触面积(A)和相对速度差(dv )成正比，而与垂直距离(dz )成反比，这一结论称为牛顿内摩擦定律(或粘滞定律)，表示为： 各种类型流体的粘滞系数(η) 与黏滞剪切应力(τ) 和流速梯度(du/dy)关系 值呈增大变化。

流体流动分为管道流和明渠流两种类型 前者是流体充满了管道，为有压流；后者为液体表层与大气接触的自由表面，是在重力作用下的流动，为无压流 按流动强度，流体可分为：急流、缓流和临界流三种流态 急流和缓流表示流体的流动强度它们定性的区别可观察流水遇到障碍物时的表现(图3—2) 急流在障碍物处激起浪花，一涌而过，只在障碍物处水面有所升高，对稍远的上游水面不发生任何影响 缓流在障碍物处（下游方）发生水面跌落，而障碍物上游水面发生壅高，并延伸到上游相当远处 福劳德数的概念：是无量纲数，表示流体的流动强度，是判别急流和缓流的定量准则，福劳德数（Fr）=贯性力（v ）/重力（g ）式中，h为水深 急流、缓流、临界流的福劳德数标准： 缓流： Fr1，惯性力大于重力，是惯性力起主导作用下的流动 明渠流中，急流和缓流的变化是受重力控制，要使Fr值达到1，要求水深10m，流速9.9m/秒，这样高的流速在自然界中极为罕见在浅水的海洋环境中，一般只有2m/秒时速度因此，急流一般是局部地段或几厘米—几米的浅水条件下出现。

急流、缓流、福劳德数与波痕、交错层理的关系 第四节层流、紊流与雷诺数 层流、紊流与雷诺数 层流、紊流和雷诺数表示流体的流动状态 流体有两种不同的流动状态：层流和紊流雷诺水槽实验：微开阀门A，再将阀门B打开，使红颜色水流入玻璃管中，观察显示红色液流质点的运动轨迹此时，由于管 内流速较慢，流体质点的运动有条不紊，呈不混杂并呈现分层流动的状态，这种流态称为层流（图3-4a）小开水龙头、细水长流 阀门A开大，流束呈现波纹状，上下摆动，称此为过渡状态（图3-4b） 阀门A继续开大，使管中流速增大，直到流体质点的运动呈分层流动状态被破坏，发生互相混杂，并且有纵向脉动，这种流动状态为紊流（图3-4c）大开水龙头的水 流状态、瀑布、洪水等 可见，随着水流流速加大，层流可以转变为紊流；反之，随着水流流速减小，紊流可以转变为层流，这种流体形态转变时的平均流速(V)叫做临界流速(VK) 雷诺通过实验表明，流动形态不仅与流速有关，还与流体的粘滞系数、密度、管道直径有关 流速、密度、管道直径愈大就愈易转变为紊流，粘滞系数愈大则愈不易转变为紊流。

不论密度、粘滞系数、管道直径如何变化，其惯性力与粘滞力的比值却是固定不变的，而且是一个无量纲数 将平均流速(v)、管道直径(d)、黏滞系数(η或υ)和密度(ρ)归纳为一个无量纲数，称为雷诺数 雷诺数的概念：是无量纲数，表示流体的流动状态，是判别层流和紊流的定量准则，雷诺数是贯性力与粘滞力比值 在管道条件下： 层流：Re2320时为紊流，紊流是一种充满了游涡的急湍的流动，流体质点的运动轨迹极不规则，有纵向运动，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此相互掺混 B-1(lamtoturb,层流与紊流). Mov－“见动画” 明渠流的临界雷诺数为：500 但是，在明渠条件下，层流与紊流的雷诺数值范围与管道条件是不同的(即临界雷诺数不等于2320)它应该用水力半径(R)代替管道直径(d)来计算临界雷诺数，因：R=1/4×d，为管道条 件下2320的1/4，其临界雷诺数应为500 值约为地表沙 二、空气搬运能力低于流水的原因 是空气的密度低于流水，空气的粘度高于流水。

一颗石英相当于同体积水的重量的2.65倍； 一颗石英相当于同体积空气重量的2000倍要移动同一石英颗粒，风速要比水速大得多才行当风速为水速的28.3倍时，才能得到相同的推移力即在同一速度下 风所能移动的颗粒比水移动的颗粒小得多 三、碎屑颗粒在空气中搬运时的起动条件 粒径0.1mm的颗粒，需要15cm/s才能启动，启动后，颗粒的增大与临界流速的增大成正比（呈线性关系） 。