河流动力学(第二章)

第二章计算流体力学的基本知识流体流动现象大量存在于自然界及多种工程领域中，所有这些工程都受质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律的支配。

这章将首先介绍流体动力学的发展和流体力学中几个重要守恒定律及其数学表达式，最后介绍几种常用的商业软件。

2.1计算流体力学简介2.1.1计算流体力学的发展流体力学的基本方程组非常复杂，在考虑粘性作用时更是如此，如果不靠计算机，就只能对比较简单的情形或简化后的欧拉方程或N-S方程进行计算。

20世纪30～40年代，对于复杂而又特别重要的流体力学问题，曾组织过人力用几个月甚至几年的时间做数值计算，比如圆锥做超声速飞行时周围的无粘流场就从1943年一直算到1947年。

数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了"计算流体力学"。

从20世纪60年代起，在飞行器和其他涉及流体运动的课题中，经常采用电子计算机做数值模拟，这可以和物理实验相辅相成。

数值模拟和实验模拟相互配合，使科学技术的研究和工程设计的速度加快，并节省开支。

数值计算方法最近发展很快，其重要性与日俱增。

自然界存在着大量复杂的流动现象，随着人类认识的深入，人们开始利用流动规律来改造自然界。

最典型的例子是人类利用空气对运动中的机翼产生升力的机理发明了飞机。

航空技术的发展强烈推动了流体力学的迅速发展。

流体运动的规律由一组控制方程描述。

计算机没有发明前，流体力学家们在对方程经过大量简化后能够得到一些线形问题解读解。

但实际的流动问题大都是复杂的强非线形问题，无法求得精确的解读解。

计算机的出现以及计算技术的迅速发展使人们直接求解控制方程组的梦想逐步得到实现，从而催生了计算流体力学这门交叉学科。

计算流体力学是一门用数值计算方法直接求解流动主控方程(Euler或Navier-Stokes方程)以发现各种流动现象规律的学科。

河流动力学三基试题参考答案一、基本概念1.泥沙输移比：某流域出口控制站实测的河流泥沙总量St与该流域的地表物质侵蚀总量Se之比，称为泥沙输移比。

2.推移质：泥沙以群体形式运动时，以滚动（包括层移）、跃移形式运动的颗粒统称为推移质。

3.悬移质：把悬浮在水流中，基本上与水流以相同速度作悬移运动的泥沙统称为悬移质。

4.高含沙水流：是指水流挟带的泥沙颗粒非常多，含沙量很大，以至于该挟沙水流在物理特性、运动特性和输沙特性等方面基本上不再像一般挟沙水流那样用牛顿流体描述。

5.异重流运动：两种或两种以上的流体相互接触，而流体间有一定的但是较小的重度差异，如果其中一种流体沿着交界面方向流动，在流动过程中不与其它流体发生全局性掺混现象的运动。

6.泥沙的水下休止角：将静水中的泥沙颗粒堆积起来，其堆积体边坡形成的稳定倾斜面与水平面的夹角称为泥沙的水下休止角。

7.含沙量：单位体积浑水中固体泥沙颗粒所占的比例，一般有重量含沙量和体积比含沙量。

8.等容粒径：与泥沙颗粒体积相同的球体直径。

9.中值粒径D50：累计频率曲线上纵坐标取值为50%时所对应的粒径值。

10.算术平均粒径D m：各粒径组平均粒径的重量百分比的加权平均值。

11.风化作用：岩石和矿物在地表环境中，受物力、化学和生物作用，发生体积破坏和化学成分变化的过程，称为风化作用。

12.泥沙的沉速：泥沙在静止清水中沉降速度达到恒定极限速度时，对应的沉速叫做泥沙的沉速。

13.泥沙的干容重：一般把单位体积沙样干燥后的重量称为干容重。

14.泥沙的容重：泥沙颗粒的实有重量于实有体积的比值（即排出空隙率在外）。

15.推移质输沙率：在一定水力、泥沙条件下，单位时间内通过过水断面的推移质数量称为推移质输沙率，用G b表示，单位一般用kg／s或者t／s。

16.泥沙的起动：设想在具有一定泥沙组成的床面上，使水流的速度由小到大逐渐增加，直到使床面泥沙(简称床沙)由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。

河流动力学-（河床演变）-测试题―、判断题：（每题2,共50'）1.对于较大河流，其上游多为山区河流，下游段多为平原河流，下游与入海口之间为潮汐河流。

［判断题］*对（正确答案）错2.山区河流一般为冲积河流，平原河流和潮汐河流一般为非冲积河流。

［判断题］*对错（正确答案）3.影响河床演变的主要因素包括：①来水条件；②来沙条件；③河谷比降；④河床形态和地质条件。

山区河流①、②两个因素起主导作用；冲击平原河流③、④两个因素常起主导作用。

［判断题］*对错（正确答案）4.较大河流的上游段多为平原河流，下游段多为山区河流，下游与入海口之间为潮汐河流。

［判断题］*对错（正确答案）5.河床演变的具体原因千差万别，但根本原因是输沙不平衡。

［判断题］*对（正确答案）错6.顺直型河道河床演变具有浅滩和深槽交替发生冲淤的特点，浅滩：枯冲洪淤；深槽：洪冲枯淤。

［判断题］*对（正确答案）错7.弯曲型河道主流线“高水傍岸、低水居中”，顶冲点“高水上提、低水下挫”。

［判断题］*对（正确答案）错8.弯道的深泓线靠近凸岸，凹岸为边滩；深槽水深和边滩宽度随弯道曲率增大而增大。

［判断题］*对错（正确答案）9.弯道水流作曲线运动，由于离心力作用使水面产生横比降，凸岸水面高于凹岸水面。

［判断题］*对错（正确答案）10.弯道水流的表层水流向凸岸，底层水流向凹岸，形成弯道环流。

［判断题］*对错（正确答案）11.弯曲河道发生撇弯时，凹岸是发生淤积的。

［判断题］*对（正确答案）错12.自然裁弯与切滩是两种不同的现象，对河势的影响，切滩比自然裁弯要强得多。

［判断题］*对错（正确答案）13.当河湾发展成曲率半径很小的急弯后，遇到较大的洪水，水流弯曲半径远大于河湾曲率半径，这时在主流带与凹岸急弯之间产生回流，使原凹岸急弯淤积，这种突变称为切滩。

［判断题］*对错（正确答案）14.自然裁弯是在两个河湾之间狭颈上进行的，切滩是在同一个河湾的凸岸进行的。

研究对象：河流河流是水流与河床在地球物理诸自然因素以及人类活动影响下交互作用的产物水流与河床的交互作用中，泥沙起着纽带的作用:泥沙淤积，河床抬高,泥沙冲刷，河床下切 研究的核心：泥沙的基本运动规律研究对象：泥沙从微观来看：泥沙为散粒群体在河流动力学中，研究泥沙的运动过程，视泥沙为连续介质注意：在水流中的泥沙含量过低时，只能做散粒个体看待，不能视作连续介质。

（散粒个体泥沙是不接受紊动扩散作用的）主要理论工具力学：泥沙颗粒受力分析统计理论：无数泥沙颗粒，具有随机行，从宏观上研究，即不能不用到统计理论 解决问题的手段模型试验：分为物理模型和数学模型采用模型试验的原因：泥沙运动涉及的物理量往往较多，边界条件往往比较复杂没有较简单的公式或可求出精确数值解的模型模型研究的过程实际问题 → 简化（留取主要矛盾）→模型建立（设计、验证）→试验研究数学、物理模型都要经过类似的过程1.2河流动力学发展简史初创期：1938年，劳斯（H.Rouse ），第五次国际应用力学讨论会会刊上发表关于泥沙紊动扩散理论，标志河流动力学从水力学中分离出来；同一时期还有：1933年，奥布莱恩（M.P .O’Brien ），1931年，马卡维也夫（B.M.Makabeeb ）初期（1931~1950）泥沙紊动扩散理论的讨论；中期（1950~1970）能量平衡问题；近期（1970~至今）水沙两相流的基本问题1.自觉地努力学会掌握理论与实际结合的原则2.要认真观察和分析河流运动过程中的矛盾现象，提示客观存在着的对立与统一的规律，坚持具体情况具体分析的科学精神3.对前人的成果要批判的继承和吸收第二章 泥沙特性2.1泥沙的粒径和粒配曲线泥沙：通常把组成河床和随水流运动的小颗粒叫做泥沙。

粒径是表示泥沙颗粒大小的一个量度。

确定粒径时遇到的困难：1.泥沙形状不规则；2.泥沙的粒径不均匀等容粒径。

定义：容积与泥沙颗粒相等的球体的直径。

计算公式可简称为粒径，单位毫米（mm ）。

第1篇一、前言河流动力学是研究河流运动规律和河床演变机理的一门学科，它对于防洪、水利、航运、环境保护等领域具有重要的指导意义。

为了深入了解河流动力学的基本原理和实践应用，我们组织了一次河流动力学实践调查。

本文将详细介绍实践过程、观测数据、分析结果以及结论。

二、实践目的1. 理解河流动力学的基本原理和基本概念。

2. 掌握河流动力学实验的基本方法。

3. 通过实际观测，分析河流的流速、流量、泥沙运动等参数。

4. 评估河流的侵蚀和沉积过程，为相关工程提供理论依据。

三、实践内容1. 实地考察：选择一条典型河流作为研究对象，对其上下游进行实地考察，了解河流的形态特征、水流状况、河床组成等。

2. 数据采集：使用流速仪、流量计、泥沙采样器等设备，对河流的流速、流量、泥沙含量等参数进行测量。

3. 模型建立：根据实测数据，建立河流动力学模型，模拟河流的流速、流量、泥沙运动等过程。

4. 数据分析：对采集到的数据进行整理和分析，评估河流的侵蚀和沉积过程。

四、实践过程1. 实地考察：我们选择了某条河流作为研究对象，考察了其上下游的河床形态、水流状况、河床组成等。

通过实地观察，我们了解到该河流上游为山区，河床由砾石组成，水流湍急；下游为平原，河床由沙土组成，水流平缓。

2. 数据采集：我们使用流速仪测量了河流的流速，使用流量计测量了河流的流量，使用泥沙采样器采集了河床泥沙样品。

通过这些数据，我们可以分析河流的泥沙运动规律。

3. 模型建立：根据实测数据，我们建立了河流动力学模型，模拟了河流的流速、流量、泥沙运动等过程。

模型中考虑了河流的侵蚀、沉积、泥沙输移等机理。

4. 数据分析：通过对实测数据的分析，我们发现该河流上游的侵蚀作用较强，下游的沉积作用较强。

同时，我们还分析了河流的泥沙含量、泥沙粒径等参数，为相关工程提供了理论依据。

五、实践结果与分析1. 流速分析：实测数据显示，上游河流流速较大，平均流速为2.5m/s；下游河流流速较小，平均流速为1.0m/s。

曲流河流动力学-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容:河流是地球上广泛存在的一种自然地理现象，其运动不仅受到水体的力学特性的影响，还受到地形、水文、生态等因素的综合作用。

河流的运动形式多种多样，其中曲流是一种常见且重要的现象。

曲流是指河流沿着其长度方向弯曲或蜿蜒流动的现象，常见于山地、丘陵地区。

曲流的形成原因多种多样，主要有地质构造、地形地貌和水文因素等影响。

在经过长时间的侵蚀和沉积过程之后，地球表面形成了丰富多样的地质构造，这些构造对于河流的变化趋势产生了重要影响；同时，地形地貌的不均匀性也为河流的曲流提供了物理条件；水文因素包括降水量、径流量、河道湍流等，也会影响河流的流态及流向。

曲流的影响因素具有复杂性和多样性。

首先，曲流会对河流生态系统造成一定的影响。

曲流区域的湿地环境相对较为稳定，提供了丰富的栖息地和食物资源，为众多生物物种提供了理想的生存条件。

其次，曲流对于水资源的利用有一定的影响。

曲流会影响河流的水动力特性，进而影响其水量和水质的分布，给水资源的获取和利用带来一定挑战。

最后，曲流的管理与保护是保障河流健康发展的重要环节。

通过合理的规划和管理措施，可以保护曲流区域的生态环境，提高水资源的可持续利用，并有效维护河流的稳定性和可持续性。

本文将深入探讨河流动力学中曲流的基本概念、形成原因和影响因素。

在此基础上，还将分析曲流对河流生态系统和水资源利用的影响，并提出曲流的管理与保护对策。

通过对曲流这一重要课题的深入研究，旨在为保护和管理河流提供科学依据，促进河流的可持续发展。

文章结构如下：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 河流动力学的基本概念2.2 曲流的形成原因2.3 曲流的影响因素3. 结论3.1 曲流对河流生态系统的影响3.2 曲流对水资源利用的影响3.3 曲流的管理与保护文章结构按照引言、正文和结论三个部分进行划分。

在引言部分，我们对曲流的河流动力学进行了介绍，并解释了文章的目的和重要性。

河流动力学是以力学、统计学等方法研究河流在水流、泥沙和河床边界三者共同作用下的变化规律的学科。

河流动力学的研究内容：泥沙运动和河床演变。

Chapter1河流：河槽与其流动的水流。

水系：河流干流和支流的总体。

流域：河流的集水区，由分水线包围所构成。

水系形态规律：二相、三维、不恒定、不均匀。

河道级别——越支越低。

分枝比：级别为x河道数目与比x高一级别x+1河道数目的比值。

（1）河道分枝比规律：在任何一个流域内，水系的平均分枝比接近与一个常数。

（2）河道数量规律：在任何一个流域内，随着河道级别的增加，河道数目不断减少，十分接近与一递减的几何数列。

（3）河道平均长度规律：在任何一个流域内，某一级河道的平均长度与其低一级河道的平均长度的比值为一常数，随着河道级别的增加，河道的平均长度倾向与一递增的几何数列。

（4）河道平均纵比降规律：在任何一个流域内，随着河道级别的增加，河道的平均纵比降倾向与一列递减的几何数列。

（5）河道面积规律：在任何一个流域内。

随着河道级别的增加，河道的平均流域面积倾向与一列递增的几何数列。

直接测量等容粒径：相同体积球体的直径。

d=(6V/π)1/3d=(abc)1/3泥沙的粒径测量筛析法水析沉降法泥沙粒径频直方图泥沙粒径分布的描述方法泥沙粒径累计频率分布曲线！！！！泥沙的水下休止角：静水中的泥沙在颗粒之间的摩擦作用下可以堆积成一定角度的稳定倾斜面而不塌落，该倾斜面与水平面的夹角为泥沙的水下休止角。

Chapter2泥沙沉降速度：单颗泥沙在足够大的静止清水中等速下沉时的速度。

也称水力粗度。

泥沙颗粒在静水中下沉时的运动状态与沙粒雷诺数有关。

W=−13.95νd影响泥沙沉速的因素：颗粒形状、边壁条件、含沙浓度、紊动、絮凝。

在具有一定泥沙组成的床面上，逐渐增加水流强度，直到使床面泥沙有静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动。

起动流速和起动拖拽力。

泥沙颗粒由静止状态变为运动状态的临界水流条件称为泥沙的起动条件。

河流水力学中的水流动力学与水动力学模型河流水力学是研究河流中水的运动、变化和影响的学科。

水流动力学（Hydrodynamics）和水动力学 (Hydraulics) 是河流水力学中的两个重要分支。

水流动力学主要研究液体无限接近于静止状态而而不是由于静水压力而流动时的力学性质和变化规律。

它包括流体静力学、流体动力学和流体水动力学等内容。

水动力学附着于水文学的领域中，探讨流量与河床之间的互动问题，是应用力学在水文学的一个分支。

在水流动力学的研究中，常用雷诺数来描述流体的流动状态。

雷诺数（Re）是流场中惯性力与粘性力的比值，即Re=惯性力/粘性力，通俗点说，就是比较“快”和比较“慢”两种液体在运动时，惯性力和摩擦力占的比例。

雷诺数越大，惯性力越强，粘性力越弱，流体的速度分布、流线轮廓会发生很大的变化，出现旋力、涡旋、湍流等等。

水流动力学通常研究的对象是静止水体中的水流，比如飞机飞过湖面，水面随之波动形成涟漪、浪花、气泡等图案。

水流动力学的研究不仅和地球上的河流、湖泊、海洋等水域有关，同样应用在航空飞行、化工加工、水电利用、环境污染、生态保护等领域。

而水动力学则是将力学原理用于研究水在管道、水库、持滞池、水闸等设施中的流动规律和相应的物理量时进行研究。

水力学主要通过建立水动力学模型来进行研究，大多数研究通过物理实验来模拟实际情况，得到相关数据进行计算分析。

这些实验中一般会建立两种模型，即放大模型和原型模型。

放大模型将大型水力结构物缩小成比例减小的模型进行配制，以模拟实际工程中的设计。

原型模型则是尽可能地模拟实际情况所建立的模型，往往使用原材料制成，并实际测量水流运动的各种参数。

这种方法一般用于大型水利工程的实验验证，如水坝、堤防等大型设施。

通过对这些模型的实验数据进行计算处理，水动力学研究人员可以对水流动的各项参数进行分析，包括速度、流量、压力、粘度等。

水流动力学和水动力学模型的运用带来了很多好处。

比如，在水力学建模中，通常需要加入其他一些因素，比如气候和水文变化。