《泥沙的沉速》PPT課件.ppt

2.1 泥沙沉降的不同形式,第2章 泥沙的沉速,1、沉速的定義,單顆粒泥沙在足夠大的靜止清水中等速下沉?xí)r的速度，稱為泥沙的沉速。用符號(hào)表示。,定義的理解，應(yīng)注意的幾點(diǎn), 泥沙在水中沉降時(shí)所受作用力, 泥沙在水中沉降特點(diǎn), 研究泥沙沉降的意義,2,5. 泥沙在靜水中下沉?xí)r的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),沙粒雷諾數(shù),3,2.2 泥沙沉速公式,2.2.1 圓球在靜水中的沉速, 球體沉降阻力,有效重力,繞流阻力,（2-1）,（2-2）,4,2.2 泥沙沉速公式,2.2.1 圓球在靜水中的沉速,2. 球體沉速的一般表達(dá)式,有效重力,繞流阻力,（2-1）,（2-2）,由圓球沉降時(shí)力的平衡方程W=F,得,（2-3）,5,3. 球體沉降的阻力系數(shù)（求解沉速的關(guān)鍵參數(shù)！）,圖2-2 球體及圓盤的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖（C d Re d 曲線）,6,試驗(yàn)結(jié)果分析：,、球體沉降時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于滯流區(qū)，沉降阻力主要為粘滯力，阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)成線性關(guān)系；,7,試驗(yàn)結(jié)果分析：,、球體沉降時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)處于紊流區(qū)，沉降阻力主要為紊動(dòng)阻力，粘滯阻力可以忽略不計(jì)。阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)無(wú)關(guān)，接近于常數(shù) Cd=0.45。,在Red2105之后Cd值的急劇下降是由于球體繞流分離點(diǎn)后移引起的。,8,、球體下沉處于過(guò)渡區(qū)，沉降阻力中粘滯阻力和紊動(dòng)阻力都不能忽略。由Cd-Red圖可知，阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)之間呈曲線關(guān)系。,試驗(yàn)結(jié)果分析：,9,4. 球體層流區(qū)阻力系數(shù)的理論解,Stokes從理論上求得，圓球在層流區(qū)所受的阻力為,(2-4),圓球繞流阻力的一般表達(dá)式 (2-2),得,(2-5),10,5、層流區(qū)、紊流區(qū)和過(guò)渡區(qū)圓球沉速公式,（2-3）,、層流區(qū)圓球沉速公式（ Red0.5）,將,(2-5),代入球體在靜水中沉速的一般表達(dá)式,得,(2-6),此式即為層流區(qū)的球體沉速公式，又稱Stokes沉速公式。,11,、紊流區(qū)圓球沉速公式（ Red1000）,（2-3）,代入球體在靜水中沉速的一般表達(dá)式,得,(2-7),球體沉降處于紊流區(qū)，由試驗(yàn)曲線圖知，,12,、過(guò)渡區(qū)圓球沉速公式（ 0.5 Red1000）,過(guò)渡區(qū)，阻力系數(shù)與沙粒雷諾數(shù)之間呈曲線關(guān)系,（2-3）,由于泥沙的形狀各不相同，無(wú)法得出圖2-2那樣的簡(jiǎn)單的Cd-Red關(guān)系曲線，在過(guò)渡區(qū)球體沉速可通過(guò)試算求解的辦法，對(duì)求解泥沙沉速來(lái)講行不通。,2.2.2 泥沙的沉速,泥沙與圓球具有同樣的沉降機(jī)理，球體沉降的阻力規(guī)律同樣適用于泥沙，只是泥沙的形狀復(fù)雜，沉降中所受到的阻力較球體沉降阻力大，同粒徑的沉速有所減小。,14,3、崗恰洛夫公式,(2-6),球體層流區(qū)沉速公式（Stokes公式）,層流區(qū)沉速公式（d0.15mm）,泥沙沉降阻力大于球體沉降阻力，天然泥沙沉速應(yīng)較球體沉速小，所以應(yīng)該乘以一個(gè)小于1的系數(shù)。,泥沙在層流區(qū)的崗恰洛夫沉速公式為,(2-21),15,3、崗恰洛夫公式,紊流區(qū)泥沙沉降阻力值大致在0.9-1.4之間 崗恰洛夫取 Cd =1.17,紊流區(qū)沉速公式（d1.5mm）,泥沙沉降阻力為,泥沙在水流中的有效重力為,將阻力系數(shù)帶入 F ，并令F=W,(2-22),16, 過(guò)渡區(qū)沉速公式（0.15d1.5mm）,17,4、沙玉清公式,與崗恰洛夫的考慮相同，得出與崗恰洛夫完全一致的公式,層流區(qū)沉速公式（d0.1mm）,沙玉清取紊流區(qū)泥沙沉降的阻力系數(shù) Cd =1.02,紊流區(qū)沉速公式（d2mm）,(2-26),18,4、沙玉清公式,紊流區(qū)沉速公式（d2mm）,(2-26),上述公式中單位用國(guó)際單位：m/s,g:m/s2,d:m,公式單位若為：cm/s,g:cm/s2,d:mm,19,沉速判數(shù) Sa 與粒徑判數(shù) ,過(guò)渡區(qū)沉速公式（ 0.1d2mm）,令,20,上述公式中單位用國(guó)際單位：m/s,g:m/s2,d:m,公式單位若為：cm/s,g:cm/s2,d:mm,21,公式單位為：國(guó)際單位。,采用國(guó)際單位的沙玉清過(guò)渡區(qū)泥沙沉速的實(shí)用算式,公式單位若為：cm/s,g:cm/s2,d:mm,（2-25）,22,1、張瑞瑾公式,泥沙過(guò)渡區(qū)的阻力,泥沙的有效重力,取,并令,（2-9）,（2-11）,（2-12）,張瑞瑾各區(qū)統(tǒng)一沉速公式,牛頓繞流阻力的,Stokes圓球?qū)恿鲄^(qū)阻力,紊流區(qū)Cd=0.45(常數(shù)),23,張瑞瑾層流區(qū)與紊流區(qū)沉速公式,泥沙在紊流區(qū)的阻力為,泥沙的在層流區(qū)的阻力為,泥沙的有效重力,分別解泥沙沉降時(shí)力的平衡方程，同時(shí)利用實(shí)測(cè)資料確定系數(shù),（d4mm）,層流區(qū),紊流區(qū),（d0.1mm）,24,5、規(guī)范推薦計(jì)算公式,d0.062mm，采用岡恰洛夫滯流區(qū)公式（2-21）,0.062d2.0mm，采用沙玉清過(guò)渡區(qū)公式（2-25）,D2.0mm，采用沙玉清紊流區(qū)公式（2-26）,(2-21),（2-25）,(2-26),25,2.3 影響泥沙沉速的各種因素,顆粒形狀、含沙量、邊壁條件、紊動(dòng)、絮凝、水質(zhì)等。,影響泥沙沉速的主要因素有：,26,含沙量（含沙濃度）：?jiǎn)挝粶喫兴哪嗌车臄?shù)量。,概念1,27,比表面積：顆粒表面積與其體積之比，即單位體積顆粒所具有的表面面積。,概念2,球體的比表面積為6/D，泥沙顆粒比表面積約為6/D。,絮凝:當(dāng)水質(zhì)中含有較多的細(xì)顆粒泥沙，特別是再含有復(fù)雜的化學(xué)成分時(shí)，泥沙不再以單顆粒的形式下沉，而是結(jié)成一團(tuán)下沉，這種現(xiàn)象稱為絮凝現(xiàn)象。,概念3,28,2.3.1 顆粒形狀對(duì)沉速的影響,形狀不同，顆粒在水中下沉所受的阻力不同，同粒徑的泥沙形狀愈扁平，阻力愈大，沉速愈小。,阻力系數(shù)與形狀系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為,考慮形狀影響的沉速公式為,29,1、泥沙粒徑,影響泥沙絮凝作用的因素包括：,2、礦物成分,3、含沙量,4、水質(zhì),水析法測(cè)量泥沙粒徑：采用去離子水并加反凝劑。,30,2.3.2 含沙量對(duì)沉速的影響,1、對(duì)于水體中含較多粗顆粒泥沙,下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊動(dòng)；渾水容重增加；使得沉速減小,31,2.3.2 含沙量對(duì)沉速的影響,2、對(duì)于水體中含較多細(xì)顆粒泥沙時(shí),下沉的泥沙引起的向上水流和激起的紊動(dòng)；渾水容重增加；渾水粘滯性增加；使得沉速減小,細(xì)顆粒泥沙和水中的電解質(zhì)作用，將發(fā)生絮凝現(xiàn)象。,32,2.3.2 含沙量對(duì)沉速的影響,2、對(duì)于水體中含較多細(xì)顆粒泥沙時(shí),含沙量對(duì)沉速的影響，取決于以上各因素的對(duì)比關(guān)系。,含沙量較低（小于15kg/m3），形成互不相連的絮團(tuán)，增大了顆粒粒徑，造成沉速增加；,含沙量進(jìn)一步增大，絮團(tuán)聯(lián)成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使得沉速大幅降低。,33,例、計(jì)算粒徑為d0.05mm，0.5mm，5.0mm的泥沙沉速，假定水溫為20，運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)為10-6m2/s。,解：1、D0.05mm,選用層流區(qū)崗恰洛夫沉速公式,34,張瑞瑾公式,1、D0.05mm,35,2、D0.5mm,沙玉清過(guò)渡區(qū)泥沙沉速的實(shí)用算式 （單位采用kg、m、s制）,解得,36,張瑞瑾公式,2、D0.5mm,37,3、D5mm,沙玉清紊流區(qū)沉速公式,張瑞瑾各區(qū)統(tǒng)一沉速公式,38,作業(yè)一,1、有一卵石，d=0.1m，從水深h=10m的水面拋入水中，水的流速U=1m/s，若不考慮動(dòng)水流動(dòng)的影響，求卵石