1、11.3.31(5周)四11.4.5(6周)二1第四章 异重流u本章内容简介本章内容简介2l异重流的一般概念l异重流的基本方程l河渠异重流4.00第四章 异重流u异重流是挟沙水流的一种特殊运动形式，对河床演变、泥异重流是挟沙水流的一种特殊运动形式，对河床演变、泥沙运动有重要影响；沙运动有重要影响；u通常出现水库、盲肠河段通常出现水库、盲肠河段(挖入式河港、船闸引航道挖入式河港、船闸引航道)等；等；u异重流发现已久，但真正进行研究于异重流发现已久，但真正进行研究于20世纪世纪30年代。年代。4.1.1.14.1 异重流的一般概念 一、异重流的成因xe第四章 异重流u何为异重流？何为异重流？异重流
2、异重流是两种密度相差不大、可以相混的流体，在条件适宜时因比重差异而产生的在运动过程中不发生全局性紊动掺混的相对运动。4.1.1.24.1 异重流的一般概念 一、异重流的成因ye第四章 异重流u异重流的分类异重流的分类按成因及形状分类：按成因及形状分类： 温差异重流温差异重流： 盐水异重流盐水异重流： 浑水异重流浑水异重流： 因温差造床密度差异而引起的异重流；常出现在电站冷却水取水口，如被抽入冷却系统则影响冷却效率。 海水入侵河水，因盐水与清水的密度差异而引起的异重流；影响城市供水 水库、港池等因浑水与清水的比重差异引起的异重流；常影响库容和航运。4.1.1.24.1 异重流的一般概念 一、异重
3、流的成因xe第四章 异重流u异重流的分类异重流的分类按出现位置分类：按出现位置分类： 下下异重流异重流： 上上异重流异重流： 中中异重流异重流： 较重的流体在较轻的流体下面运动；如入库浑水、盐水等异重流 较轻的流体在较重的流体上面运动；如温差、 入海浑水等异重流 较重和较轻的流体之间存在第三种流体运动；如云层运动。4.1.1.34.1 异重流的一般概念 一、异重流的成因xe第四章 异重流u浑水异重流的物理本质浑水异重流的物理本质根本根本成因：成因：清、浑水的密度差异。隔板隔板实验实验：可形象说明异常形成的物理本质。 光滑隔板将清水与浑水分隔于两侧，因浑水重于清水而产生压力差，且水越深，压力差越
4、大，底部压差最大；当隔板垂直缓慢抽出水面，浑水将从底部q潜入清水，这就是浑水异重流的物理本质。4.1.1.44.1 异重流的一般概念 一、异重流的成因一第四章 异重流u浑水异重流对水利建设方面的影响浑水异重流对水利建设方面的影响对水库淤积的影响对水库淤积的影响 蚕食蚕食有效库容有效库容、缩短水库寿命、增加坝体压力、缩短水库寿命、增加坝体压力 异重流淤积孔隙率大35倍，故淤积体积大，蚕食有效库容快； 可掌握异重流运行特征，因势利导排沙，官厅水库因异重流排沙达1/3，对于底坡大的水库，可达到2/3。对航运的影响对航运的影响 港池、船闸为盲肠渠道，常为静水，具有形成异重流的条件，易因易因异重流异重流
5、入侵淤积而碍航。入侵淤积而碍航。 例：长江中游青山港建成后4年淤积74万方，口门淤厚10m，中枯水碍航；后每年疏浚，但回淤快，仍有34个月枯水碍航。 葛洲坝引航道异重流淤积占绝对部分，但因事先预测而采取了冲沙闸方案4.1.2.14.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性xe第四章 异重流u异重流的特性异重流的特性Why？异重流异重流与一般流体相比具有三大特性：异重流的重力作用重力作用显著减小；异重流的惯性作用惯性作用相对增强；异重流的阻力作用阻力作用十分突出。4.1.2.24.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性ye第四章 异重流u异重流的重力作用显著减小？异重流的重力作用显著减小？SSSS
6、sVsVsV1)()1 (仅相差 2 . 6kg/m2 .1062kg/m100kg/m62.1000kg/m13333SS异重流密度：异重流密度：特点特点：含沙量的较大变化仅引起密度的较小改变，且与水的密度差异也不大。微小的比重差异均可形成异重流(长江S=1kg/m3)4.1.2.24.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性ye第四章 异重流u异重流的重力作用显著减小？异重流的重力作用显著减小？异重流的异重流的有效有效重量重量(水下重量水下重量)：SSSgs623. 065. 2111)(Ss14.1.2.24.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性xe第四章 异重流u异重流的重力作用显著减
7、小？异重流的重力作用显著减小？异重流的异重流的有效有效重力加速度重力加速度 g：，重力作用显著减小很小，常（称为重力修正系数，ggSSSSSSsss32331010001. 0kg/m6 . 101. 0kg/m16623. 01623. 0)，重力作用显著减小很小，常（称为重力修正系数，ggSSSSSSgggggggsss32331010001. 0kg/m6 . 101. 0kg/m16623. 01623. 0)(，重力作用显著减小很小，常（称为重力修正系数，ggSSSSSSgggggggsss32331010001. 0kg/m6 . 101. 0kg/m16623. 01623. 0
8、)(，重力作用显著减小很小，常ggSS32331010001. 0kg/m6 . 101. 0kg/m16，重力作用显著减小很小，常ggSS32331010001. 0kg/m6 . 101. 0kg/m16浑水比清水重，为何重力作用还浑水比清水重，为何重力作用还显著减小呢？常规难以理解。显著减小呢？常规难以理解。同学们可从周围介质进行理解！同学们可从周围介质进行理解！4.1.2.34.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性xe第四章 异重流u异重流的惯性作用相对增强？异重流的惯性作用相对增强？rrrFFhgUhgUF)3010(1异重流仍为流体,仍可用明渠水流的Fr、Re等参数，仅将g换为g
9、。由此可见，与同h、V的清水相比，异重流 Fr 远大于清水。Fr 的物理意义的物理意义：惯性力与重力的相对大小，Fr增大，表明惯性力相对增强。惯性力增强，重力显著减小，表明异重流容易爬高和翻越(图4-2)。4.1.2.44.1 异重流的一般概念 二、异重流的特性4.1第四章 异重流u异重流的阻力作用十分突出？异重流的阻力作用十分突出？UUJRgfJRgfJRgfU)03. 01 . 0(888000均匀异重流：此式表明：此式表明：在相同的f、R、J0的情况下，异重流的U清水的U，即阻力增大，如要运行长距离，必须有足够的比降J。4.2.1.14.2 异重流的基本方程 一、异重流的连续方程xe第四
10、章 异重流u二元非恒定异重流二元非恒定异重流const.00const.0000)()(hVqxqxxqxqtxqxqththqxht则变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的二元恒定异重流：const.00const.000 0)()(hVqxqxxqxqtxqxqththqxht则变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的二元恒定异重流：不能删除要随时间和距离变化，因const.00const.0000)()(hVqxqxxqxqtxqxqththqxht则变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的二元恒定异重流：4.2.1.24.2 异重流的基本方程 一、异重流连续方程xe第四章 异重流u二元恒定异重流
11、二元恒定异重流const.00const.00hUqxqxxqxqt则变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的恒定const.00const.0000)()(hVqxqxxqxqtxqxqththqxht则变化很小，可认为异重流沿程沉淀引起的二元恒定异重流：非恒定：const.00const.00hUqxqxxqxqt则变化很小，可认为重流沿程沉淀引起的沿程有一定变化，但异虽然恒定const.00const.00hUqxqxxqxqt则变化很小，可认为重流沿程沉淀引起的沿程有一定变化，但异虽然恒定与清水连续方程一样4.2.2.14.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程xe第四章 异重流u方程建
12、立基础方程建立基础二元恒定流上面清水静止清水水面水平4.2.2.24.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程ye第四章 异重流u二元恒定异重流运动方程二元恒定异重流运动方程hgUhzH220断面的总水头：?dxdhdxUdgUdxhddxdzdxHd0沿程求导：dxhdhUdxUddxhdUdxUdhhU0const.连续方程：dxdzdxhddxdhdxdhdxhddxdzhhz0000.const 水面为水平清水为静水?4.2.2.24.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程ye第四章 异重流u二元恒定异重流运动方程二元恒定异重流运动方程dxdhdxUdgUdxhddxdzdxHd0d
13、xhdhUdxUddxdzdxhddxdh00200200000)1 (111JdxhdhgVJJJdxhdhgVJJJdxhddxhdhVgVdxhdJJdxdzJdxHdJeeee整理以上各式，得河底底坡：异重流能坡：00JdxhddxhdhUgUdxhdJJe整理以上各式，得4.2.2.24.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程ye第四章 异重流u二元恒定异重流运动方程二元恒定异重流运动方程020020)1 (111JdxhdhgUJJJdxhdhgUJJee00JdxhddxhdhUgUdxhdJJehgUJJhgUJJdxhdee2020114.2.2.24.2 异重流的基本方程
14、 二、异重流运动方程ye第四章 异重流u二元恒定异重流运动方程二元恒定异重流运动方程hgUJJdxhde20112022211 ,1rerFJJdxhdhgUhgUFgg，又因为通常2022211 ,1rerFJJdxhdhgUhgUFgg，又因为通常4.2.2.24.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程ye第四章 异重流u二元恒定异重流运动方程二元恒定异重流运动方程2022211 ,1rerFJJdxhdhgUhgUFgg，又因为通常errrrrreeJJFfJFFfJdxhdFFfJdxhdFfhgUfJhgUfJ1080180188818020220220222或对于均匀异重流：又e
15、rrrrrreeJJFfJFFfJdxhdFFfJdxhdFfhgUfJhgUfJ1080180188818020220220222或对于均匀异重流：又4.2.2.24.2 异重流的基本方程 二、异重流运动方程4.2第四章 异重流u二元恒定异重流运动方程二元恒定异重流运动方程2022211 ,1rerFJJdxhdhgUhgUFgg，又因为通常ereJJFJJdxhd10110020对于均匀异重流：前进。需较大的底坡才能均匀增大这也说明异重流的阻力倍，坡大流，河底底坡必须比能说明：要形成均匀异重均匀异重流：对于一般明渠均匀流：, 1000100)1000100(100eeeJJJJJ前进。需较
16、大的底坡才能均匀增大这也说明异重流的阻力倍，坡大流，河底底坡必须比能说明：要形成均匀异重均匀异重流：对于一般明渠均匀流：, 1000100)1000100(100eeeJJJJJ前进。需较大的底坡才能均匀增大这也说明异重流的阻力倍，坡大流，河底底坡必须比能说明：要形成均匀异重均匀异重流：对于一般明渠均匀流：, 1000100)1000100(100eeeJJJJJ4.3.14.3 河渠异重流 一、盲肠河段一第四章 异重流u何为盲肠河段？何为盲肠河段？凡是一端与河道连通，而另一端封闭的河段(图4-4)。u盲肠河段也可能淤积盲肠河段也可能淤积虽然是静水，但也可因异重流造成淤积。例： 黄河下游部分引
17、水闸：闸门关闭后，引水渠很快淤死。 武汉下游青山港：预计年均淤积量0.77万方；结果没有考虑异重流淤积，年均淤积量达18.5万方，多20余倍。4.3.2.14.3 河渠异重流 二、盲肠河段的泥沙淤积过程ye第四章 异重流u具有形成异重流的条件具有形成异重流的条件盲肠内静水，清水；河道动水、浑水；密度差产生交界面压力差，从而产生异重流。u异重流潜入盲肠沿程淤积异重流潜入盲肠沿程淤积异重流速度较慢，泥沙会沿程沉淀，粗颗粒淤积在口门，然后向盲端沿程淤积。4.3.2.34.3 河渠异重流 二、盲肠河段的泥沙淤积过程二第四章 异重流u横轴纵向环流使异重流循环往横轴纵向环流使异重流循环往复地将泥沙输入盲肠
18、河段复地将泥沙输入盲肠河段.动量和质量的平衡形成横轴纵向环流含沙量大的底流不断流入，含沙量小甚至清水的面流不断流出，盲肠河段不断淤积。u立轴回流引起回流淤积，形成立轴回流引起回流淤积，形成拦门沙。拦门沙。拦门沙淤积体虽然较集中,范围不大,但淤积厚,对航行十分不利(图4-5)4.3.3.14.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算xe第四章 异重流u输沙率公式输沙率公式SUSUbHKGKKKHKhHhSUhbGGsss、还需获得：资料葛洲坝三江引航道实测青山港现场实测资料水槽实验成果成正比与潜入断面的水深异重流潜入厚度输沙率盲肠河段的沙量单位时间内异重流进入,)(52. 050. 0)(68.
19、 0)(63. 04 . 0)(11111SUSUbHKGKKKHKhHhSUhbGGsss、还需获得：资料葛洲坝三江引航道实测青山港现场实测资料水槽实验成果成正比与潜入断面的水深异重流潜入厚度输沙率盲肠河段的沙量单位时间内异重流进入,)(52. 050. 0)(68. 0)(63. 04 . 0)(11111b? h? uh的计算的计算4.3.3.34.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算xe第四章 异重流u U的计算的计算、断面建立能量方程 (盲肠河底、水面均水平图4-6)，有：11)1 (211)1 (2)(112)(11222)(1221122，其中：方程：断面间建立能量KKgHK
20、gHKUHKHgUhHgUgUgUhhHH11)1 (211)1 (2)(112)(11222)(1221122，其中：方程：断面间建立能量KKgHKgHKUHKHgUhHgUgUgUhhHHHKh1：前有11)1 (211)1 (2)(112)(11222)(1221122，其中：方程：断面间建立能量KKgHKgHKUHKHgUhHgUgUgUhhHH)(405. 0)(415. 0)(460. 011)1 (211)1 (2)(112)(11222)(2221221122葛州坝引航道青山港水槽试验，其中：方程：断面间建立能量KKKKKgHKgHKUHKHgUhHgUgUgUhhHH4.3.
21、3.44.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算xe第四章 异重流u S的计算的计算异重流含沙量S 与河水含沙量 S 应有一定关系，设：SKS3SKSKSSSSssssssssss33较小时u h的计算的计算4.3.3.64.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算xe第四章 异重流u异重流输沙率公式的最终结构异重流输沙率公式的最终结构2/32/32/3321SbHgKKKGsssSUSUbHKGKKKHKhHhSUhbGGsss、还需获得：资料葛洲坝三江引航道实测青山港现场实测资料水槽实验成果成正比与潜入断面的水深异重流潜入厚度输沙率盲肠河段的沙量单位时间内异重流进入,)(52. 050.
22、 0)(68. 0)(63. 04 . 0)(11111HKh1：前有11)1 (2)(112)(11222)(122122，其中：方程：断面间建立能量KKgHKUHKHgUhHgUgUgUhhHHSKSKSSSSssssssssss33较小时SKS3gKKKSbHGsss2/33212/32/3)(0191. 0)(014. 0青山港葛洲坝引航道4.3.3.74.3 河渠异重流 三、盲肠河段的输沙量计算三第四章 异重流u汇流区的淤积计算汇流区的淤积计算U、SL0039. 00036. 0长江实测资料积量单位时间内回流区的淤LhUSGGss 4.3.4.14.3 河渠异重流 四、水库异重流形成
23、条件xe第四章 异重流u潜入点的特点潜入点的特点交界面突变交界面突变。4.3.4.24.3 河渠异重流 四、水库异重流形成条件ye第四章 异重流u形成形成条件条件6 . 06 . 06 . 0111118322020222220gHqgHUKKgHUhHhgUFFdxhdFFfJdxhdrrrr的条件是：，则异重流潜入点满足试验获得，则有：对于潜入点交界面突变：异重流运动方程：6 . 06 . 06 . 0111118322020222220gHqgHUKKgHUhHhgUFFdxhdFFfJdxhdrrrr的条件是：，则异重流潜入点满足试验获得，则有：对于潜入点交界面突变：异重流运动方程：6
24、 . 06 . 06 . 0111118322020222220gHqgHUKKgHUhHhgUFFdxhdFFfJdxhdrrrr的条件是：，则异重流潜入点满足试验获得，则有：对于潜入点交界面突变：异重流运动方程：图4-64.3.4.24.3 河渠异重流 四、水库异重流形成条件四第四章 异重流u形成形成条件条件6 . 06 . 0)0.42250.65(6 . 01111183220220222220gHqgHUKKgHUhHhgUFFdxhdFFfJdxhdrrrr条件是：则异重流潜入点满足的，教材中为试验获得，则有：对于潜入点交界面突变：异重流运动方程：6 . 06 . 06 . 011
25、1118322020222220gHqgHUKKgHUhHhgUFFdxhdFFfJdxhdrrrr的条件是：，则异重流潜入点满足试验获得，则有：对于潜入点交界面突变：异重流运动方程：6 . 06 . 06 . 0111118322020222220gHqgHUKKgHUhHhgUFFdxhdFFfJdxhdrrrr的条件是：，则异重流潜入点满足试验获得，则有：对于潜入点交界面突变：异重流运动方程：4.3.5.14.3 河渠异重流 五、防止或减少盲肠河段异重流淤积的措施ye第四章 异重流u合理化进行平面规划和主要尺度的选择合理化进行平面规划和主要尺度的选择船闸置于枢纽凹岸一侧；口门不宜布置在可
26、动边滩的下游侧；港池出口方向指向下游，角度越小越好，但需满足航行需要；试验表明：60交角的淤积量大于45的一倍多，航行要求不小于30。尽量缩小口门宽度和水深；试验表明：14m口门水深的淤积量较11.6m时增大70。4.3.5.34.3 河渠异重流 五、防止或减少盲肠河段异重流淤积的措施c4第四章 异重流u采取异重流衰减的工程措施采取异重流衰减的工程措施设置适量外泄水流；试验表明：5m3/s的口门外泄水流使淤积量减少5/6。口门设置防淤帘；设帘后，淤积量减少70，但运行麻烦。u合理安排疏浚的时间及顺序合理安排疏浚的时间及顺序疏浚最好安排在退水期水深接近碍航时进行；先挖港池，后挖口门。习题第四章
27、异重流要求掌握的内容c41、异重流的概念和分类。2、形成异重流的物理本质是什么？3、异重流的密度、有效重量和有效重力加速度如何计算？较大的含沙量变化仅引起密度的(微小)变化。4、详述异重流运动的三个主要特性。5、请记住异重流运动方程(4-20a、b)，要形成异重均匀流，其底坡应该比一般均匀流(大得多)。6、请记住形成水库异重流条件的计算公式？7、何为盲肠河段？作业第四章 异重流作业ce某水库，其库水面水平，坝前水深为10.5m，底坡2.5，如果单宽来流量q10m3/m/s，含沙量S50kg/m3，请问：在距坝何处形成异重流(取K=0.6)。Fig4-2Fig4-3hgUhzH220断面的总水头：Fig4-4如:挖入式港池船闸引航道.bULFig4-5Fig4-6S11)1 (211)1 (2)(112)(11222)(1221122，其中：方程：断面间建立能量KKgHKgHKUHKHgUhHgUgUgUhhHHU0
