1、1 Dd Re泥沙运动泥沙运动状态状态示意图示意图 运动特点运动特点（颗粒周围水（颗粒周围水体流态）体流态）沙粒铅直下沉，周围水体几沙粒铅直下沉，周围水体几乎不发生紊动现象。乎不发生紊动现象。颗粒摆动下沉，颗粒后的水体颗粒摆动下沉，颗粒后的水体开始发生扰动、产生漩涡。开始发生扰动、产生漩涡。颗粒盘旋下沉，附近水体产生颗粒盘旋下沉，附近水体产生强烈的扰动和涡动。强烈的扰动和涡动。DRe 5.0Re D 10005.0Re D 1000Re D 运动状态运动状态（绕流流态）（绕流流态）层流区层流区（滞流区滞流区，滞性区），滞性区）过渡区（介流区）过渡区（介流区）紊流区紊流区（紊动区紊动区）5.5.
2、泥沙在静水中下沉时的运动状态泥沙在静水中下沉时的运动状态沙粒雷诺数沙粒雷诺数2WF2422 dCFd 2.2 2.2 泥沙沉速公式泥沙沉速公式2.2.1 2.2.1 圆球在静水中的沉速圆球在静水中的沉速 球体沉降阻力球体沉降阻力 63dWs 有效重力有效重力绕流阻力绕流阻力（2-12-1）（2-22-2）32422 dCFd 2.2 2.2 泥沙沉速公式泥沙沉速公式2.2.1 2.2.1 圆球在静水中的沉速圆球在静水中的沉速2.2.球体沉速的一般表达式球体沉速的一般表达式有效重力有效重力绕流阻力绕流阻力（2-12-1）（2-22-2）由圆球沉降时力的平衡方程由圆球沉降时力的平衡方程W=F,W=
3、F,得得gdCsd 34（2-32-3）63dWs 234 gdCsd 43.3.球体沉降的阻力系数球体沉降的阻力系数（求解沉速的关键参数！）（求解沉速的关键参数！）图图2-2 2-2 球体及圆盘的阻力系数与雷诺数的关系图球体及圆盘的阻力系数与雷诺数的关系图（C C d d Re Re d d 曲线）曲线）5试验结果分析：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、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；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：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、球体沉
4、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，接近于常数数无关，接近于常数 C Cd d=0.45=0.45。在在ReRed d2 210105 5之后之后C Cd d值的急剧下降是由于球体绕流分离点后移引起的。值的急剧下降是由于球体绕流分离点后移引起的。7、球体下沉处于过渡区，沉降阻力中粘滞阻力和紊动阻、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。由力都不能忽略。由Cd-ReCd-Red d图可知，阻力系数与沙粒雷诺数图可知，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系。之间呈曲线关系
5、。试验结果分析：试验结果分析：8 ddF33 2422 dCFd dddCRe2424 4.4.球体层流区阻力系数的理论解球体层流区阻力系数的理论解StokesStokes从理论上求得，圆球在层流区所受的阻力为从理论上求得，圆球在层流区所受的阻力为 (2-4)(2-4)圆球绕流阻力的一般表达式圆球绕流阻力的一般表达式 (2-2)(2-2)得得(2-5)(2-5)9 2181gds dCD24 5 5、层流区、紊流区和过渡区圆球沉速公式、层流区、紊流区和过渡区圆球沉速公式gdCsd 34（2-32-3）、层流区圆球沉速公式（、层流区圆球沉速公式（ReRed d0.510001000）gdCsd
6、34（2-32-3）代入球体在静水中沉速的一般表达式代入球体在静水中沉速的一般表达式得得(2-7)(2-7)球体沉降处于紊流区，由试验曲线图知，球体沉降处于紊流区，由试验曲线图知，11gdCsd 34 、过渡区圆球沉速公式（、过渡区圆球沉速公式（0.5 Re0.5 Red d10001000）过渡区，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系过渡区，阻力系数与沙粒雷诺数之间呈曲线关系（2-32-3）234 gdCsd 由于泥沙的形状各不相同，无法得出图由于泥沙的形状各不相同，无法得出图2-22-2那样的简单的那样的简单的C Cd d-Re-Red d关系曲线，在过渡区球体沉速可通过试算求解的办关系曲线
7、，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。法，对求解泥沙沉速来讲行不通。2.2.2 2.2.2 泥沙的沉速泥沙的沉速泥沙与圆球具有同样的沉降泥沙与圆球具有同样的沉降机理，球体沉降的阻力规律机理，球体沉降的阻力规律同样适用于泥沙，只是泥沙同样适用于泥沙，只是泥沙的形状复杂，沉降中所受到的形状复杂，沉降中所受到的阻力较球体沉降阻力大，的阻力较球体沉降阻力大，同粒径的沉速有所减小。同粒径的沉速有所减小。13 2181gds 2224118175.0gdgdss 3 3、岗恰洛夫公式、岗恰洛夫公式(2-6)(2-6)球体层流区沉速公式球体层流区沉速公式（StokesStokes
8、公式公式）层流区沉速公式（层流区沉速公式（d0.15mmd1.5mmd1.5mm）泥沙沉降阻力为泥沙沉降阻力为泥沙在水流中的有效重力为泥沙在水流中的有效重力为将阻力系数带入将阻力系数带入 F F，并令，并令F=WF=W(2-22)(2-22)15 沉沉速速公公式式 沉沉速速与与各各变变量量的的关关系系 层层流流区区 2241gDs 与与2D，g g、s（有有效效容容重重系系数数）的的一一次次方方及及1 成成正正比比 过过渡渡区区 Dgs3/23/13/2 与与D、与与 g g 和和 s的的 2 2/3 3 次次方方、及及3/1 成成正正比比 紊紊流流区区 gDs 068.1 与与D、g g 和
9、和 s（有有效效容容重重系系数数）的的 1 1/2 2 次次方方及及0成成正正比比 备备注注 TDD037.0107.383lg081.0 过渡区沉速公式（过渡区沉速公式（0.15d1.5mm0.15d1.5mm）16 2241gds gds 14.1 4 4、沙玉清公式、沙玉清公式与岗恰洛夫的考虑相同，得出与岗恰洛夫完全一与岗恰洛夫的考虑相同，得出与岗恰洛夫完全一致的公式致的公式层流区沉速公式（层流区沉速公式（d0.1mmd2mmd2mm）(2-26)(2-26)17gds 14.1 4 4、沙玉清公式、沙玉清公式紊流区沉速公式（紊流区沉速公式（d2mmd2mm）(2-26)(2-26)上述
10、公式中单位用国际单位：上述公式中单位用国际单位：m/s,g:m/sm/s,g:m/s2 2,d:m,d:m公式单位若为：公式单位若为：cm/s,g:cm/scm/s,g:cm/s2 2,d:mm,d:mm5.61 sd108.54 18 14334Re32ssDDggddC343ReaDDSC 3/13/13/13/1Re34 DDsaCgS 沉速判数沉速判数 Sa Sa 与粒径判数与粒径判数 过渡区沉速公式（过渡区沉速公式（0.1d2mm0.1d4mmd4mm）层流区层流区紊流区紊流区（d0.1mmd0.1mm）235 5、规范推荐计算公式、规范推荐计算公式d0.062mmd0.062mm，
11、采用冈恰洛夫滞流区公式（，采用冈恰洛夫滞流区公式（2-212-21）0.0620.062d d2.0mm2.0mm，采用沙玉清过渡区公式（，采用沙玉清过渡区公式（2-252-25）D D2.0mm2.0mm，采用沙玉清紊流区公式（，采用沙玉清紊流区公式（2-262-26）2241gds 0.39777.5lg665.3lg22 aSd108.54 (2-21)(2-21)（2-252-25）(2-26)(2-26)242.3 2.3 影响泥沙沉速的各种因素影响泥沙沉速的各种因素颗粒形状、含沙量、边壁条件、紊动、絮颗粒形状、含沙量、边壁条件、紊动、絮凝、水质等。凝、水质等。影响泥沙沉速的主要因素
12、有：影响泥沙沉速的主要因素有：25含沙量（含沙浓度）：单位浑水中所含含沙量（含沙浓度）：单位浑水中所含的泥沙的数量。的泥沙的数量。名名称称 量量纲纲 记记号号 表表达达式式 单单位位 体体积积含含沙沙量量（体体积积百百分分比比）无无 vS 浑浑水水总总体体积积泥泥沙沙颗颗粒粒的的体体积积 VS 重重量量含含沙沙量量（混混合合表表达达形形式式）有有 S 浑浑水水总总体体积积泥泥沙沙所所占占重重量量 S 3/mkg 重重量量百百分分比比含含沙沙量量 无无 wS 浑浑水水的的重重量量泥泥沙沙所所占占重重量量 WS 概念概念1 126比表面积：颗粒表面积与其体积之比，比表面积：颗粒表面积与其体积之比，
13、即单位即单位体积颗粒所具有的表面面积。体积颗粒所具有的表面面积。概念概念2 2球体的比表面积为球体的比表面积为6/D6/D，泥沙颗粒比表面积约，泥沙颗粒比表面积约为为6/D6/D。絮凝絮凝:当水质中含有较多的细颗粒泥沙，特别是再当水质中含有较多的细颗粒泥沙，特别是再含有复杂的化学成分时，泥沙不再以单颗粒的形含有复杂的化学成分时，泥沙不再以单颗粒的形式下沉，而是结成一团下沉，这种现象称为絮凝式下沉，而是结成一团下沉，这种现象称为絮凝现象。现象。概念概念3 3273/445.0 abcCDgdabcs 3/272.12.3.1 2.3.1 颗粒形状对沉速的影响颗粒形状对沉速的影响形状不同，颗粒在水
14、中下沉所受的阻力不同，同粒径形状不同，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。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阻力系数与形状系数的经验关系为考虑形状影响的沉速公式为考虑形状影响的沉速公式为281 1、泥沙粒径、泥沙粒径影响泥沙絮凝作用的因素包括：影响泥沙絮凝作用的因素包括：2 2、矿物成分、矿物成分3 3、含沙量、含沙量4 4、水质、水质水析法测量泥沙粒径：采用去离子水并加反凝剂。水析法测量泥沙粒径：采用去离子水并加反凝剂。292.3.2 2.3.2 含沙量对沉速的影响含沙量对沉速的影响1 1、对于水体中含较多粗颗粒泥沙、对
15、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；浑水容下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊动；浑水容重增加；使得沉速减小重增加；使得沉速减小302.3.2 2.3.2 含沙量对沉速的影响含沙量对沉速的影响2 2、对于水体中含较多细颗粒泥沙时、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；使得沉速减小重增加；浑水粘滞性增加；使得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。细颗粒泥沙和水中的电解质作用，将发生絮凝现象。312.3.2 2.3.2 含沙量对沉速的影响含沙量对沉速的影响2
16、 2、对于水体中含较多细颗粒泥沙时、对于水体中含较多细颗粒泥沙时含沙量对沉速的影响，取决于以上各因素的对比关含沙量对沉速的影响，取决于以上各因素的对比关系。系。含沙量较低（小于含沙量较低（小于15kg/m15kg/m3 3），形成互不相连的絮团，），形成互不相连的絮团，增大了颗粒粒径，造成沉速增加；增大了颗粒粒径，造成沉速增加；含沙量进一步增大，絮团联成絮网结构，使得沉速含沙量进一步增大，絮团联成絮网结构，使得沉速大幅降低。大幅降低。32 scmsmgds/168.0/00168.0101005.08.965.12412416232 例、计算粒径为例、计算粒径为d d0.05mm0.05mm，
17、0.5mm0.5mm，5.0mm5.0mm的泥沙沉速，假的泥沙沉速，假定水温为定水温为2020，运动粘滞系数为，运动粘滞系数为1010-6-6m m2 2/s/s。解：解：1 1、D D0.05mm0.05mm选用层流区岗恰洛夫沉速公式选用层流区岗恰洛夫沉速公式33scmsmDgDDs/157.0/00157.01005.01095.131005.08.965.109.11005.01095.1395.1309.195.133632362 张瑞瑾公式张瑞瑾公式1 1、D D0.05mm0.05mm342 2、D D0.5mm 0.5mm 39374.5lg386.3lg23/223/1 d 3
18、9374.510105.0lg386.310lg23/26323/16 scmsm/68.5/0568.0 沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式沙玉清过渡区泥沙沉速的实用算式（单位采用（单位采用kgkg、m m、s s制）制）解得解得 35DgDDs 95.1309.195.132 363236105.01095.13105.08.965.109.1105.01095.13 scmsm/00.7/0700.0 张瑞瑾公式张瑞瑾公式 2 2、D D0.5mm 0.5mm 36 3 3、D D5mm 5mm scmsmgDs/7.32/3270.01058.965.114.114.13 沙玉清紊流区沉速
19、公式沙玉清紊流区沉速公式DgDDs 95.1309.195.132 3632361051095.131058.965.109.11051095.13 scmsm/41.29/2941.0 张瑞瑾各区统一沉速公式张瑞瑾各区统一沉速公式 37作业一作业一1 1、有一卵石，、有一卵石，d=0.1md=0.1m，从水深，从水深h=10mh=10m的水面抛入水中，水的水面抛入水中，水的流速的流速U=1m/sU=1m/s，若不考虑动水流动的影响，求卵石沉到，若不考虑动水流动的影响，求卵石沉到河底的水平距离？河底的水平距离？2 2、什么是泥沙的沉速？球体沉速与等容泥沙的沉速是否相、什么是泥沙的沉速？球体沉速与等容泥沙的沉速是否相同？为什么？同？为什么？3 3、什么是絮凝现象？影响絮凝的因素有哪些？、什么是絮凝现象？影响絮凝的因素有哪些？4 4、试比较岗恰洛夫、沙玉清、张瑞瑾的泥沙沉速公式，说、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？同？如何判别层流、紊流、过渡区这三种绕流状态？5 5、论述含沙量对沉速的影响。、论述含沙量对沉速的影响。
