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第三章沉积学相关的流体力学基本原理,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、概述二、流体的粘滞性和内摩擦定律三、急流、缓流和福劳德数四、层流、紊流与雷诺数五、悬浮载荷和旋涡紊动作用六、空气的几个流体力学问题,一、概述,沉积学中沉积机理的研究与流体力学的关系极为密切。流动的物质为流体。从力学的性质讲，流体是一种受任何微剪切力都能连续变形的物质。流体具有容易变形(流动)的特征，这就是流体的流动性。与沉积作用有关的流体：水、空气。流体力学：研究流体在静止和运动时的力学规律，研究流体与其它物体(在沉积学中主要是碎屑沉积物)之间的相互作用。研究内容包括两个方面：1、流体的类型与性质2、流体所受的力,一、概述,流体所受的力有：惯性力、万有引力、重力、粘滞力、弹性力、表面张力等。流体力学亦是以牛顿运动三定律为基础的。即流体的运动主要是受机械运动的定律所制约。机械运动的矛盾是作用力和反作用力的相互作用。在流体运动中重力、粘滞力、弹性力和表面张力都是可以改变流体原有状态的作用力，唯有惯性力是维持流体原有运动状态的反作用力。因此，简单地说，流体运动就是惯性力(反作用力)与其它作用力(重力、粘滞力、弹性力、表面张力)的相互作用的结果。作用力和反作用力相等时使流体保持平衡。,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、概述二、流体的粘滞性和内摩擦定律三、急流、缓流和福劳德数四、层流、紊流与雷诺数五、悬浮载荷和旋涡紊动作用六、空气的几个流体力学问题,二、流体的粘滞性和内摩擦定律,（一）粘滞性的概念动板实验：设有两块平行的平板，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：附着在动板下面的流体层的运动速度与动板的速度相等，愈往下速度愈小，直到附着在定板上的流体层的速度为零(线性速度分布规律如右图)。实验说明：每一运动速度较慢的流体层，都是在运动速度较快的流体层带动下才发生运动的。同时，运动较快的流体层(快层)也受到运动较慢的流体层(慢层)的阻滞，而不能运动得更快。,二、流体的粘滞性和内摩擦定律,（一）粘滞性的概念动板实验说明，每一运动速度较慢的流体层，都是在运动速度较快的流体层带动下才发生运动的。同时，运动较快的流体层(快层)也受到运动较慢的流体层(慢层)的阻滞，而不能运动得更快。根据作用力与反作用力的原理，相邻流体产生相对运动时，快层对慢层产生一个拖曳力(作用力)，使慢层加速；相反，慢层对快层产生一个方向相反的阻滞力(反作用力)，使快层减速。拖曳力和阻滞力是大小相等方向相反的一对力，它们分别作用在两个流层的接触面上，又因为这一对力是在流体的内部产生的；所以把这一对力叫做内摩擦力(或称为粘滞力)。流体在静止时不能承受切力抵抗剪切变形；但在运动状态下，流体具有抵抗剪切变形的能力，称为粘滞性。,二、流体的粘滞性和内摩擦定律,（一）粘滞性的概念根据作用力与反作用力的原理：相邻流体产生相对运动时，快层对慢层产生一个拖曳力(作用力)，使慢层加速；相反，慢层对快层产生一个方向相反的阻滞力(反作用力)，使快层减速。拖曳力（剪切应力）：把加快流体运动的力。阻滞力：阻止流体运动的力。内摩擦力(粘滞力)：一对大小相等、方向相反的拖曳力和阻滞力称为内摩擦力(粘滞力)。流体在静止时不能承受切力抵抗剪切变形；但在运动状态下（在切力作用下），流体具有抵抗剪切变形的能力，称为粘滞性。,二、流体的粘滞性和内摩擦定律,（一）粘滞性的概念在河道中的流水，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。即快层对慢层产生一种拖曳力，其方向与流向一致；反之，慢层对快层要产生一种阻滞力，其方向与流向相反。,二、流体的粘滞性和内摩擦定律,（二）牛顿内摩擦定律根据内摩擦力(T)的性质，它与接触面积(A)和相对速度差(du)成正比，而与垂直距离(dy)成反比，这一结论称为牛顿内摩擦定律(或粘滞定律)，可表示为：T=A（du/dy）式中T：内摩擦力(牛)；du/dy：流速梯度(秒-1)(沿垂直水流方向单位距离的流速变化值也称剪切变形率)。A：接触面积(m2)：与流体种类、温度有关的系数，称为动力粘滞性系数(帕秒，即PaS)。,粘滞系数,粘滞系数：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、流体的粘滞性和内摩擦定律,（二）牛顿内摩擦定律上述内摩擦定律不是所有的流体都能适用。凡是服从内摩擦定律的流体称作牛顿流体，即在温度不变的条件下，随着流速梯度(du/dy)和剪切应力()的变化，值保持一常数(右图中的A)。为粘滞切应力，代表单位面积上的内摩擦力。=(du/dy),二、流体的粘滞性和内摩擦定律,（二）牛顿内摩擦定律气体和分子结构简单的液体，如空气、水及油液等均属于牛顿流体。牵引流为牛顿流体。把不服从内摩擦定律的流体称为非牛顿流体。例如沉积物重力流、血液、高分子液体等是非牛顿流体。牛顿流体的摩擦力与速度梯度du/dy呈线性关系，而非牛顿流体不是线性关系。有的流体值随剪切变形率的增加而减小或加大，如右图中的C、D，分别称作假塑性流体和膨胀性流体。有的流体只有当切应力达到某一值(0)后才开始流动，如图右1中的B，称作宾汉流体。沉积物重力流即属宾汉流体。,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、概述二、流体的粘滞性和内摩擦定律三、急流、缓流和福劳德数四、层流、紊流与雷诺数五、悬浮载荷和旋涡紊动作用六、空气的几个流体力学问题,三、急流、缓流和福劳德数,按边界条件的不同，液体流动可分为管道流和明渠流两种类型。前者是液体充满了管道的流动，为有压流；后者的液体有与大气接触的自由表面，如河道、水渠，是在重力作用下的流动，为无压流。流体流动的规律大多是研究管道流获得的，但也适用于明渠流。沉积学所研究的对象大多是明渠流，明渠水流中按流动强度可分为急流、缓流和临界流三种流态。,三、急流、缓流和福劳德数,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(大石块、桥墩等)时的表现，即缓流在障碍物处发生水面跌落，而障碍物上游水面发生壅高，并延伸到上游相当远处；而急流在障碍物处激起浪花，一涌而过，只在障碍物附近的水面有所升高，而对稍远的上游水面不发生任何影响。这表明缓流能将障碍物的干扰向上游传播，而急流只能引起局部干扰，不能向上游传播。,急流（a）和缓流（b）遇到障碍物时的流动特点,三、急流、缓流和福劳德数,急流和缓流的定量判别准则是福劳德数(Froudenumber)，即式中：Fr：福劳德数；V：流速；g：重力加速度；h:水深福劳德数是一个无量纲数。,三、急流、缓流和福劳德数,福劳德数的力学意义在于：当Fr=1时，说明水流受惯性力与重力作用相等,为临界流；当Fr1时，惯性作用大于重力作用，水流为急流；当Fr1时，惯性力作用小于重力作用，水流为缓流。或者说，急流是惯性力起主导作用下的流动，缓流是重力起主导作用下的流动。,三、急流、缓流和福劳德数,由上述力学意义分析可看出，急流和缓流的变化是受重力控制，故这种流态变化只出现在明渠流中，管道流中不存在，因为它不受重力影响。明渠条件下，要使Fr值达到1，要求在水深10m时，流速达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/秒的速度。Fr=V/(gh)1/2，若Fr=1，V=2m/s，得h=0.45m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。,小结：福劳德数：是一个无量纲数，是用于流体在明渠条件下的流动体制（或流动强度）的无量纲数；是判别急流和缓流的定量准则。Fr=惯性力/重力=v/（gh）1/2缓流：Fr1，惯性力大于重力，是惯性力起主导作用下的流动。,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、概述二、流体的粘滞性和内摩擦定律三、急流、缓流和福劳德数四、层流、紊流与雷诺数五、悬浮载荷和旋涡紊动作用六、空气的几个流体力学问题,四、层流、紊流与雷诺数,1883年英国物理学家雷诺通过大量的实验发现，流体存在着两种不同的流动状态：层流和紊流(又称为湍流)。,四、层流、紊流与雷诺数,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（右图a）。阀门A开大，流束呈现波纹状，上下摆动，称此为过渡状态（右图b）。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（右图c）。,四、层流、紊流与雷诺数,从上实验可知随着水流流速加大，层流可以转变为紊流；反之，随着水流流速减小，紊流也可以转变为层流，这种流体形态转变时的平均流速(V)叫做临界流速(Vk)。,四、层流、紊流与雷诺数,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(-动力粘滞系数，单位为千克/米米或帕秒或牛秒/米2；运动粘滞系数，=/，的单位为米2/秒)和密度()，以及流体所通过的管道直径(d)有关。当V、d愈大就愈易转变为紊流，或愈大则愈不易转变为紊流。而且还发现临界流速也是随、()、d值不同而变化，因此临界流速不能作为流态的判别准则。但雷诺还发现，不论、d如何变化，流动形态转变时的(VKd)/或(VKd)/值却比较固定，而且是一个无量纲数。将平均流速(V)、管道直径(d)、粘滞系数(或)和密度()归纳为一个无量纲数，称为雷诺数(Reynodsnumber-Re)。,四、层流、紊流与雷诺数,雷诺数表达公式：Re=惯性力/粘滞力=(Vd)/=(Vd/)式中：V-平均流速；d-管道直径；-密度，-动力粘滞系数；运动粘滞系数。,四、层流、紊流与雷诺数,在管道条件下：当Re2320时为紊流，紊流是一种充满了旋涡的急湍的流动，流体质点的运动轨迹极不规则，其流速大小和流动方向随时间而变化，彼此相互掺混。,值得注意的是，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，所以明渠流的临界雷诺数(Rek)应为500。,小结：雷诺数：表示流体的流动状态的无量纲数；是判别层流和紊流的定量准则；Re=贯性力/粘滞力=Vd/=Vd/。,第三章小结,主要概念：流体流体的粘滞性内摩擦定律牛顿流体非牛顿流体福劳德数急流缓流雷诺数层流紊流,第三章小结流体的分类,一、据粘滞性（内摩擦力）划分：1、牛顿流体（如牵引流）2、非牛顿流体，包括：（1）宾汉流体（如重力流）（2）假塑性流体（3）膨胀性流体二、据边界条件和流动强度划分：1、管道流2、明渠流（据福劳德数）划分：（1）急流（2）缓流（3）临界流三、据流动状态（据雷诺数）划分：1、层流2、紊流,第三章沉积学相关的流体力学基本原理结束谢谢大家,第三章沉积学相关的流体力学基本原理,一、概述二、流体的粘滞性和内摩擦定律三、急流、缓流和福劳德数四、层流、紊流与雷诺数五、悬浮载荷和旋涡紊动作用六、空气的几个流体力学问题,关于管道直径与水力半径的换算（1）水在管道或明渠中流动时，垂直流动方向的流水横断面称作过水断面(A)。如流速不变，过水断面愈大，流量也就愈大(即过水能力愈大)，否则相反。过水断面与固体边界接触的线段长度称为湿周(X)，充满水的管道其湿周为圆周，河流的湿周为河底宽度和两则壁面高度之和。当管道和河流的过水断面相等时，二者的湿周可不同。湿周愈大，阻力愈大，在其它条件相同时，过水能力就愈低，否则相反。过水断面和湿周都反映了过水能力，在水力学中用水力半径(R)表示过水能力，即：R=A/X水力半径愈大，过水能力愈大，反之则小。水力半径在明渠流中不等于水深。,关于管道直径与水力半径的换算（2）水力半径在管道中，管道直径(d)与水力半径之间关系如下：1)管道过水断面：r2=(d/2)2=d2/4(1)(r=管道半径；d=管道直径)2）按水力半径来计算过水断面：A=XR其中若湿周(X)为圆周，即：X=2r=2(d/2)=dA=dR(2)(1)式与(2)式应相等，即：（d2）/4=dRR=（1/4）d,
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