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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(Froude number),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 = 2 m/s,得 h = 0 . 45 m 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(Reynods number-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/。,
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