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 vср — средняя скорость течения, м/с;
R — гидравлический радиус, м;
hср — 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; vmax—
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 vmax наблюдаются на поверхности (или на глубине 0,2h от поверхности), скорость, близкую к средней на вертикали, — на глубине 0,6h и минимум (vmin), 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 vср — средняя скорость течения, м/с;
g — ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с2;
hср — 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.
Дата добавления: 2016-03-04; просмотров: 1895;