Турбулентное перемешивание

Турбулентное движение — режим, при котором движение имеет хаотический ха­рактер, наблюдаются процессы перемешивания воды, скорости течения непрерывно изме­няются по величине и направлению. Скорость течения практически не зависит от вязко­сти, а сопротивление движению пропорционально квадрату скорости.

Критерием степени турбулентности потока является безразмерное число Рей­нольдса Re:

(5.5)

где v_ср — средняя скорость течения, м/с;

R — гидравлический радиус, м;

h_ср — средняя глубина потока м;

ν — кинематический коэффициент вязкости, равный для воды (при температуре
20 °С) 1,01∙10⁻⁶ м²/с.

Критическое значение Re, соответствующее переходу от ламинарного к турбу­лентному режиму, лежит в диапазоне от 300 до 3000. При Re>3000 режим турбулент­ный, при Re<300 — ламинарный, в диапазоне 300< Re<3000 — переходный.

В естественных открытых потоках (реках, ручьях) движение всегда турбулентное. Скорость течения в любой точке речного потока подвержена турбулентным пульсациям по величине и направлению, причем тем большим, чем больше скорость течения. Каждой точке речного потока присуща местная мгновенная скорость течения. Гидрометрические вертушки фиксируют скорость, осредненную за некоторый интервал времени (например, 100 с). Скорости течения изменяются по глубине и по ширине живого сечения. Кривые изменения скоростей по вертикали называются годографами или эпюрами скоростей.

На рис. 5.5 показано вертикальное распределение скоростей течения в различных условиях.

Рис. 5.5. Вертикальное распределение скоростей течения в речном потоке:

а — типичное; б —под ледяным покровом; в — под слоем внутриводного льда (шуги);
г — при попутном и встречном ветре; д — при влиянии растительности; е — при влиянии
неровностей дна; 1 — ледяной покров; 2 — слой шуги; W — направление ветра; v_max—
максимальная скорость течения; u — обратное течение

При свободном состоянии русла (рис. 5.5а) типичным является следующее рас­пре­деление скоростей по глубине, что связано, в основном, с шероховатостью русла. Мак­си­мальные скорости v_max наблюдаются на поверхности (или на глубине 0,2h от поверхно­сти), скорость, близкую к средней на вертикали, — на глубине 0,6h и минимум (v_min), не равный нулю, — у дна.

Однако, под влиянием других факторов, кроме шероховатости русла, типичное распределение скоростей по глубине нарушается. Так, зимой под ледяным покровом (рис. 5.5б), особенно под слоем внутриводного льда — шуги (рис. 5.5в), под влиянием трения о нижнюю поверхность льда, и особенно шуги, скорость течения уменьшается. В период открытого русла при попутном ветре скорость течения на поверхности увеличивается, а при встречном ветре, — уменьшается (рис. 5.5г). При влиянии растительности уменьша­ется скорость течения в придонном слое (рис. 5.5д). При влиянии неровностей дна (рис. 5.5е) скорость течения перед препятствиями уменьшается ко дну, а после препятствия может возникнуть обратное течение.

Наглядное представление о распределении скоростей течения в живом сечении дают изотахи — линии, соединяющие точки с одинаковыми скоростями течения (рис. 5.6).

У берегов скорость течения меньше, в центре потока она наибольшая. Продольная линия, соединяющая точки на поверхности реки с наибольшими скоростями, называется стрежнем. Область максимальных скоростей расположена обычно на некоторой глубине от поверхности. Линия, соединяющая по длине потока точки отдельных живых сечений с наибольшими скоростями, называется динамической осью потока.

Рис. 5.6. Изотахи в живом сечении речного потока

Наиболее интенсивное турбулентное перемешивание будет иметь место в тех час­тях потока, где значения скорости течения наибольшие. Турбулентное перемешивание способствует выравниванию по живому сечению концентрации взвешенных наносов.

Горные и равнинные реки. Число Фруда. Гидравлический прыжок. По состоянию водной поверхности потоки делят на спокойные и бурные. Спокой­ные потоки имеют плавную форму водной поверхности, препятствия обтекаются плавно. Бурные потоки имеют неровную форму водной поверхности со стоячими волнами, в мес­тах препятствий образуются резкие перепады уровня.

Для определения состояния потока используют безразмерное число Уильяма Фруда, введенное им в 1870 г.:

(5.6)

где v_ср — средняя скорость течения, м/с;

g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²;

h_ср — средняя глубина потока, м.

При Fr=1 поток находится в критическом состоянии, при Fr>1 поток бурный, при Fr<1 поток спокойный. Бурные потоки характерны для горных рек, спокойные — для равнинных.

Спокойные потоки характеризуются плавной формой водной поверхности. Препят­ствия обтекаются ими спокойно, образую­щаяся перед препятствием зона подъема уровня плавно сопря­гается с водной поверхностью выше расположенного участка потока.

Свободная поверхность бурных потоков отличается крайней неровностью, резкие повышения поверхности воды чередуются с понижениями и водопа­дами.

Переход водного потока из бурного состояния в спокойное осуществляется с по­мощью гидравлического прыжка — резкого увеличения глубины потока, сопровождаю­щееся повышением уровня воды в направлении течения. Гидравлические прыжки образу­ются в бурных потоках перед препятствиями или над ними. Гидравлический прыжок яв­ляется остановившейся волной. Ниже препятствий и на участках резкого увели­чения ук­лона образуются водопады. Бурный режим является наиболее характерным для горных рек, хотя и в горах могут встретиться реки или участки рек со спокойным режи­мом. Обычно же поверхность горных рек представляет собой систему остановив­шихся волн (гидравлических прыжков).

Всё это определяет особенности эрозионно-аккумулятивных процессов в руслах горных и равнинных рек.