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1、韓智明第三章懸移質(zhì)運動韓智明本章知識要點：沖瀉質(zhì)與床沙質(zhì)懸移質(zhì)的擴散理論懸浮指標(biāo)懸浮泥沙能量消耗水流挾沙力§3.1沖瀉質(zhì)與 床沙質(zhì)一、現(xiàn)象4二、床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的概念床沙質(zhì)bedmaterialload（造床質(zhì)）：來自相鄰的上游段或本河段的河床，是從床沙中被帶起來進(jìn)入運動的泥沙。沖瀉質(zhì)washload（非造床質(zhì)）：來源于上游的流域，是被水流攜帶輸送到本河段的運動泥沙。懸移質(zhì)與推移質(zhì)是從泥沙運動形式進(jìn)行分類的；而床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)是根據(jù)他們對河床的補給作用進(jìn)行分類的。5區(qū)別三、劃分床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的經(jīng)驗準(zhǔn)則床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)在
2、一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化7§3.2含沙量沿水深分布一、含沙量的概念單位體積渾水中所含泥沙的數(shù)量稱為含沙量或含沙濃度，工程中常用S表示，通常有下列三種：含沙量不同表達(dá)形式間的關(guān)系和的關(guān)系為與和的關(guān)系為二、泥沙懸浮的機理泥沙受重力作用下沉，形成含沙量上稀下濃的不均勻分布；紊動擴散作用使泥沙上浮，使含沙濃度沿垂線變化的梯度變小，分布趨于均勻；懸移質(zhì)含沙量沿水深分布就決定于紊動擴散作用與重力作用的對比關(guān)系。10三、懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布的擴散理論1、擴散理論簡介如果某一物理量m（濃度、溫度等）在處于紊動狀態(tài)、可作為連續(xù)介質(zhì)
3、看待的液體中分布不均勻，具有沿任一方向n的濃度梯度，則這一物理量將通過紊動作用由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴散，其擴散強度為，此處為擴散系數(shù)，“—”表示與梯度方向相反。112、Rouse公式在二元恒定均勻流中，任取一單位水平截面。在重力作用下單位時間通過該截面下沉的泥沙數(shù)量為g1，則令單位時間內(nèi)因紊動擴散通過該截面上浮的泥沙量為g2，由擴散理論：在不沖不於情況下——基本微分方程式泥沙擴散系數(shù)的如何處理？紊動擴散作用引起的上浮的泥沙量可改寫為對于二元均勻流①、紊動擴散作用引起的上浮的泥沙量也可表示為懸移質(zhì)擴散系數(shù)與動量擴散
4、系數(shù)的關(guān)系εm動量交換系數(shù)，其量綱與υ相同②、根據(jù)紊流動量傳遞理論，二元均勻流中，距床面y處的切應(yīng)力可表達(dá)為擴散方程的一般形式①、二元恒定均勻流含沙量未達(dá)到平衡時懸移質(zhì)擴散方程若以進(jìn)入單元體的沙量為正、離開的沙量為負(fù)，設(shè)u、v的方向與x、y軸的方向一致，則△t時間內(nèi)由于水流流動以及泥沙的沉降，進(jìn)入或離開這個單元體上下左右四面的泥沙數(shù)量如圖3-3所示。表示單元體內(nèi)單位面積上含沙量隨時間的變化率，則在△t時段內(nèi)，單元體內(nèi)沙量的變化量可表示為這一沙量的差值將引起單元體內(nèi)含沙量的變化，若以△t時間內(nèi)由于水流流動以及泥沙的
5、沉降，進(jìn)入單元體的凈沙量（單元體內(nèi)沙量的增加值）為假設(shè)沉速ω沿垂向不變，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，進(jìn)入單元體的沙量與單元體內(nèi)沙量的變化量應(yīng)該相等.對于二元均勻流方程右邊第一為對流項；第二、三項為水流紊動引起的擴散項：第四項為重力作用引起的沉降項。二元恒定均勻流不平衡輸沙情況下，泥沙擴散方程（懸移質(zhì)含沙量隨空間和時間變化的微分方程）。式右邊第二項可忽略，得a、假定泥沙縱向擴散遠(yuǎn)小于垂向擴散，②、二元恒定均勻流不平衡輸沙狀態(tài)下的懸移質(zhì)擴散方程的簡化c、對于含沙量是恒定不變的情況b、靜水沉淀池中泥沙的沉淀過程對y的偏導(dǎo)數(shù)也可改
6、寫為全導(dǎo)數(shù)。二元恒定均勻流含沙量沿垂線分布達(dá)到平衡情況下，泥沙擴散過程成為一恒定、均勻的問題。d、二元恒定均勻流平衡情況下泥沙擴散方程式簡化此式與從定性分析得到的二元恒定均勻流平衡情況下含沙量沿垂線分布的微分方程（即懸移質(zhì)擴散方程）完全相同。在平衡情況下二者相等，故常數(shù)C為零，因重力作用下沉的沙量為單位時間內(nèi)，因紊動擴散作用向上托起的沙量為ω不隨水深變化，上式積分后得假定一：，為動量傳遞系數(shù)對于二元恒定均勻流，水流內(nèi)部切應(yīng)力為（紊流動量傳遞理論）含沙量沿水深分布假定二：采用對數(shù)流速分布，k為卡門常數(shù)將上式代入基本
7、微分方程，有則26假定三：S較小時，都是與y無關(guān)的常數(shù)定解條件：設(shè)，，則積分常數(shù)C為采用分離變量法求出通解勞斯方程27Z=5作為泥沙是否進(jìn)入懸浮的判別值懸浮指標(biāo)Z的討論28Z決定了懸移質(zhì)含沙量沿水深分布的均勻程度2930也可從水流泥沙運動的一般形式推導(dǎo)擴散方程。3.羅斯公式的檢驗——公式的結(jié)構(gòu)、指數(shù)是否正確31范諾尼(V．A.Vanoni)實驗資料說明擴散理論公式的結(jié)構(gòu)是正確的。32懸浮指標(biāo)Z實測值和理論值有一定差別，主要是由于3個基本假定與實際情況的差別造成的。假定1產(chǎn)生的差別 （泥沙交換系數(shù)與動量交換系數(shù)存在
8、差別）如果有泥沙同等尺度的漩渦，漩渦對泥沙擴散無太大作用，然而漩渦對水體動量貢獻(xiàn)不能忽略。泥沙運動具有慣性，因此泥沙運動與高頻的紊流脈動無法完全同步。泥沙顆粒越大體現(xiàn)越明顯。解決方法：對替代過程進(jìn)行修正，主要采用范若尼假定，即假定兩者關(guān)系為線性關(guān)系。進(jìn)而得到34假定2產(chǎn)生的差別 （流速分布公式的選用）清水流速分布與渾水流速分布具有較大差異。因而造成k的取值差距較大。按照流
