第三章流體力秒學(xué)基礎(chǔ)

第三章流體力學(xué)基礎(chǔ)第三章沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基本原理、概述流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律急流、緩流和福勞德數(shù)層流、紊流與雷諾數(shù)一、概述沉積學(xué)中沉積機(jī)理的研究與流體力學(xué)的關(guān)系極為密切。流動(dòng)的物質(zhì)為流體。從力學(xué)的性質(zhì)講，流體是一種受任何微剪切力都能連續(xù)變形的物質(zhì)。流體具有容易變形（流動(dòng)）的特征，這就是流體的流動(dòng)性。與沉積作用有關(guān)的流體：水、空氣。流體力學(xué)：研究流體在靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的力學(xué)規(guī)律，研究流體與其它物體（在沉積學(xué)中主要是碎屑沉積物）之間的相互作用。研究?jī)?nèi)容包括兩個(gè)方面=1、流體的類型與性質(zhì)2、流體所受的力概述流體所受的力有：慣性力、萬(wàn)有引力、重力、粘滯力、彈性力、表面張力等。流體力學(xué)亦是以牛頓運(yùn)動(dòng)三定律為基礎(chǔ)的。即流體的運(yùn)動(dòng)主要是受機(jī)械運(yùn)動(dòng)的定律所制約。機(jī)械運(yùn)動(dòng)的矛盾是作用力和反作用力的相互作用。在流體運(yùn)動(dòng)中重力、粘滯力、彈性力和表面張力都是可以改變流體原有狀態(tài)的作用力，唯有慣性力是維持流體原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反作用力。因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，流體運(yùn)動(dòng)就是慣性力（反作用力）與其它作用力（重力、粘滯力、彈性力、表面張力）的相互作用的結(jié)果。作用力和反作用力相等時(shí)使流體保持平衡。第三章沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基本原理概述流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律急流、緩流和福勞德數(shù)層流、紊流與雷諾數(shù)o-Bll律定摩內(nèi)和性性與nJ的離齡、的I性I港:粘驗(yàn)>實(shí)-板C動(dòng)層雲(yún)零璧直速右面的，的如下眾層律：糧^^棚在度速的分驗(yàn)二、流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律（一）粘滯性的概念動(dòng)板實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，每一運(yùn)動(dòng)速度較慢的流體層，都是在運(yùn)動(dòng)速度較快的流體層帶動(dòng)下才發(fā)生運(yùn)動(dòng)的。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)較快的流體層（怏層）也受到運(yùn)動(dòng)較慢的流體層（慢層）的阻滯，而不能運(yùn)動(dòng)得更快。根據(jù)作用力與反作用力的原理，相鄰流體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，快層對(duì)慢層產(chǎn)生一個(gè)拖曳力（作用力），使慢層加速；相反，慢層對(duì)怏層產(chǎn)生一個(gè)方向相反的阻滯力（反作用力），使快層減速。拖曳力和阻滯力是大小相等方向相反的一對(duì)力，它們分別作用在兩個(gè)流層的接觸面上，又因?yàn)檫@一對(duì)力是在流體的內(nèi)部產(chǎn)生的；所以把這一對(duì)力叫做內(nèi)摩擦力（或稱為粘滯力）。流體在靜止時(shí)不能承受切力抵抗剪切變形；但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，流體具有抵抗剪切變形的能力，稱為粘滯性。流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律（-）粘滯性的概念根據(jù)作用力與反作用力的原理：相鄰流體產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，快層對(duì)慢層產(chǎn)生一個(gè)拖曳力（作用力），使慢層加速；相反，慢層對(duì)快層產(chǎn)生一個(gè)方向相反的阻滯力（反作用力），使快層減速。拖曳力（剪切應(yīng)力）：把加快流體運(yùn)動(dòng)的力。阻滯力:內(nèi)摩擦力（粘滯力）阻止流體運(yùn)動(dòng)的力。:一對(duì)大小相等、方向相反的拖曳力和阻滯力稱為內(nèi)摩擦力（粘滯力）。流體在靜止時(shí)不能承受切力抵抗剪切變形；但在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下（在切力作用下），流體具有抵抗剪切變形的能力，稱為粘滯性。二、流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律（一）粘滯性的概念拖曳力阻滯力(據(jù)W,wRubey,19JR)流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律（二）牛頓內(nèi)摩擦定律根據(jù)內(nèi)摩擦力（T）的性質(zhì)，它與接觸面積（A）和相對(duì)速度差（du）成正比，而與垂直距離（dy）成反比，這一結(jié)論稱為牛頓內(nèi)摩擦定律（或粘滯定律），可表示為：T=uA(du/dy)式中T:內(nèi)摩擦力（牛）;du/dy：流速梯度（秒_9（沿垂直水流方向單位距離的流速變化值也稱剪切變形率）。A：接觸面積砧）U:與流體種類、溫度有關(guān)的系數(shù)，稱為動(dòng)力粘滯性系數(shù)（帕?秒，即Pa-S）o粘滯系數(shù)M粘滯系數(shù)：作用在1cm2上的粘滯力規(guī)定為流體的粘滯系數(shù)（單位：泊）。表示流體粘滯性的大小。粘滯系數(shù)隨溫度而變，當(dāng)溫區(qū)升高時(shí)，液體的粘滯系數(shù)減小，而氣體則增加。下表為幾種流體的粘滯系數(shù)：水甘油空氣20oC0.018.31.810-430oC0.0086.31.910-4流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律▲、(二)牛頓內(nèi)摩擦定律上述內(nèi)摩擦定律不是所有的流體都能適用。凡是服從內(nèi)摩擦定律的流體稱作牛頓流體，即在溫度不變的條件下，隨著流速梯度(du/dy)和剪切應(yīng)力(T)的變化，p值保持一常數(shù)(右圖中的A)。T為粘滯切應(yīng)力，代表單位面積上的內(nèi)摩擦力。T=p(du/dy)圖3-1各種類型流體的粘滯系數(shù)與剪切應(yīng)力(T)和流速梯度(du/dy)之間關(guān)系(據(jù)清華大學(xué)《水力學(xué)1、流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律(二)牛頓內(nèi)摩擦定律牛頓流體牽引流為牛頓流體非牛頓流體是非牛頓流體作假塑性流體膨賬性流體。賓漢流體沉積物重力流即屬賓漢流體圖3-1各種類型流體的粘滯系數(shù)(P)與剪切應(yīng)力(T)和流速梯度(du/dy)之間關(guān)系(據(jù)清華大學(xué)《水力學(xué)^1981)第三章沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基本原理概述流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律急流、四、五、懸浮載荷和旋渦紊動(dòng)作用六、空氣的幾個(gè)流體力學(xué)問(wèn)題層流、紊流與雷諾數(shù)三、急流、緩流和福勞德數(shù)按邊界條件的不同，液體流動(dòng)可分為管道流和明渠流兩種類型。前者是液體充滿了管道的流動(dòng)，為有壓流；后者的液體有與大氣接觸的自由表面，如河道、水渠，是在重力作用下的流動(dòng)，為無(wú)壓流。流體流動(dòng)的規(guī)律大多是研究管道流獲得的，但也適用于明渠流。沉積學(xué)所研究的對(duì)象大多是明渠流，明渠水流中按流動(dòng)強(qiáng)度可分為急流、緩流和臨界流三種流態(tài)。三、急流、急流緩流和福勞德數(shù)流動(dòng)強(qiáng)度急流在障緩流緩流急流(a)和緩流(b)遇到障礙物時(shí)的流動(dòng)特點(diǎn)三、急流、緩流和福勞德數(shù)(Froudenumber),即-rwzv式中:Fr：福勞德數(shù);g：重力加速度;V：流速;h:水深福勞德數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)。三、急流、緩流和福勞德數(shù)福勞德數(shù)的力學(xué)意義在于：當(dāng)Fr=1時(shí)，說(shuō)明水流受慣性力與重力作用相等，為臨界流；當(dāng)Fr>1時(shí)為急流；當(dāng)Fr<1時(shí)流為緩流。慣性作用大于重力作用，水流慣性力作用小于重力作用，水或者說(shuō)，急流是慣性力起主導(dǎo)作用下的流動(dòng)，緩流是重力起主導(dǎo)作用下的流動(dòng)。三、急流、緩流和福勞德數(shù)由上述力學(xué)意義分析可看出，急流和緩流的變化是受重力控制，故這種流態(tài)變化只出現(xiàn)在明渠流中，管道流中不存在，因?yàn)樗皇苤亓τ绊?。明渠條件下，要使Fr值達(dá)到1，要求在水深10m時(shí)，流速達(dá)9.9m/秒，這樣高的流速在自然界中極為罕見，在淺水的海洋環(huán)境中，一般只有2m/秒的速度。Fr=K/(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幾厘米一幾米的淺水條件下出現(xiàn)。小結(jié)：福勞德數(shù)：是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，是用于流體在明渠條件下的流動(dòng)體制（或流動(dòng)強(qiáng)度）的無(wú)量綱數(shù)；是判別急流和緩流的定量準(zhǔn)則。Fr=慣性力/重力=v/（gh）1/2緩流：Fr<1，慣性力小于重力，是重力起主導(dǎo)作用下的流動(dòng)。；臨界流：Fr=1，慣性力等于重力；急流：Fr>1，慣性力大于重力，是慣性力起主導(dǎo)作用下的流動(dòng)。流動(dòng)強(qiáng)度與底床形態(tài)（層理類型）根據(jù)0.6mm,水槽寬2.44m,長(zhǎng)45.72m的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fr<l無(wú)顆粒移動(dòng)解姍沙水脾靜，坦，即無(wú)激及沙水平廚Fr值流態(tài)床沙奧型低流態(tài)沙紋（小波櫛^iW<5cni,波長(zhǎng)<30cni,髄小，水掘波浪職小數(shù)專層理_—*■平崧■■■,■■+:,:■1■■沙紋（小波痕）沙in人波娘）籠激--沙丘（大波撤髄50cm/s,繃10-20cm,波長(zhǎng)可達(dá)脈，水面出浪。贈(zèng)撇丘都即水面表面的鯉不，層理臨界流Fr^l受沖刷的沙丘（受沖刷的波長(zhǎng)腦一幾樣嫌長(zhǎng)海灘'啪娜層!過(guò)渡流態(tài)Fr>l受沖刷的平職沙肝水向平行廢S-受沖桷的沙f￡受_的平底逆It沙任向動(dòng)向戰(zhàn)HO行加積，下游HIM翻腿。水面灘與屬于同撇。逆碓層理離流態(tài)當(dāng)水流的振^大時(shí)，局部高能量龍觀力形^mn1坑第三章沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基本原理、流體的粘滯性和內(nèi)摩擦定律三、急流、四、層流、紊流與雷諾^五、懸浮載荷和旋渦紊動(dòng)作用六、空氣的幾個(gè)流體力學(xué)問(wèn)題層流、紊流與雷諾數(shù)雷諾流動(dòng)狀態(tài)層流紊流水枘圖3_3雷諾水槽實(shí)驗(yàn)裝置四層流、紊流與雷諾數(shù)雷諾水槽實(shí)驗(yàn)：微開閥門A,再將閥門B打開，使紅顏色水流入玻璃管中，觀察顯示紅色液流質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。此時(shí)，由于|\_管內(nèi)流速較慢，流體質(zhì)點(diǎn)的—_______運(yùn)動(dòng)有條不紊，呈不混雜并k呈現(xiàn)分層流動(dòng)的狀態(tài)，這種r___;流態(tài)稱為層流（右圖a）。:閥門A開大，流束呈現(xiàn)K波紋狀，上下擺動(dòng)，稱此為-…一廣，義幻過(guò)渡狀態(tài)（右圖b）。k閥門A繼續(xù)開大，使管'層流與素流流態(tài)中流速增大，直到流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)呈分層流動(dòng)狀態(tài)被破壞，發(fā)生互相混雜，并且有縱向脈動(dòng)，這種流動(dòng)狀態(tài)為紊流（右圖c）。流Cb）H渡狀態(tài)U）姦流層流、紊流與雷諾數(shù)從上實(shí)驗(yàn)可知隨著水流流速加大，層流可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?；反之，隨著水流流速減小，紊流也可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿?，這種流體形態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的平均流速(V)叫做臨界流速(Vk)。數(shù)(Reynodsnumber-Re)。雷諾通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，流動(dòng)形態(tài)不僅與流速有關(guān)，還、層流、紊流與雷諾數(shù)與流體的粘滯系數(shù)(P-動(dòng)力粘滯系數(shù)，單位為千克/米?米或帕?秒或牛?秒/米2;U—運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)U=p/P，U的單位為米2/秒)和密度(p),以及流體所通過(guò)的管道直徑(d)有關(guān)。當(dāng)V、p、d愈大就愈易轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，p或U愈大則愈不易轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌６疫€發(fā)現(xiàn)臨界流速也是隨P、p(U)、d值不同而變化，因此臨界流速不能作為流態(tài)的判別準(zhǔn)則。但雷諾還發(fā)現(xiàn)，不論p、p、d如何變化，流動(dòng)形態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的(VKdp)/p或(VKd)/U值卻比較固定，而且是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)。將平均流速(V)、管道直徑(d)、粘滯系數(shù)(p或U)和密度(p)歸納為一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，稱為雷諾層流、紊流與雷諾數(shù)雷諾數(shù)表達(dá)公式：Re=慣性力/粘滯力=(Vdp)/(Vd/u)式中：V--平均流速；d--管道直徑；p--密度，M-動(dòng)力粘滯系數(shù)；u—運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)。層流、紊流與雷諾數(shù)在管道條件下：當(dāng)Re<2320時(shí)為層流，層流是一種緩慢的流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的平行的線狀運(yùn)動(dòng)，彼此不相摻混。當(dāng)Re=2320時(shí)為臨界流，也稱臨界雷諾數(shù)(Rek)，其對(duì)應(yīng)的是臨界流速(Vk)。當(dāng)Re>2320時(shí)為紊流，紊流是一種充滿了旋渦的急湍的流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則，其流速大小和流動(dòng)方向隨時(shí)間而變化，彼此相互摻混。____圖3-5在管道條件下展流與紊流的流動(dòng)特點(diǎn)2320水力半徑管道直徑R=(1/4)*d所以明渠流的臨界雷諾數(shù)(Rek)應(yīng)為500閣3—6平行流向的河流帶向剖面表示紊流及層流底層.流線長(zhǎng)度代表流速大?。〒?jù)W\VRubes，1938）小結(jié)：____雷諾數(shù)■表示流體的流關(guān)狀態(tài)的無(wú)量綱數(shù)_是判別|層I和紊流的定量準(zhǔn)則；Re=貫性力/粘滯力=Vdp/p=Vd/u。流動(dòng)狀態(tài)類型管道條件下的Re數(shù)明渠條件下的Re數(shù)定義層流<2320<500緩慢的流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的平行的線狀運(yùn)動(dòng)，彼此不相摻混臨界流2320500流動(dòng)狀態(tài)介于層流與紊流的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的是臨界流速(VK)紊流>2320>500充滿了旋渦的急湍的流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡極不規(guī)則，有縱向運(yùn)動(dòng)，其流速大小和流動(dòng)方向隨時(shí)間而變化，彼此相互摻混第三章小結(jié)主要概念流體流體的粘滯性內(nèi)摩擦定律牛頓流體非牛頓流體急流緩流雷諾數(shù)層流紊流第三章小結(jié)流體的分類一、據(jù)粘滯性（內(nèi)摩擦力）劃分：1、牛頓流體（如牽引流）2、非牛頓流體，包括：（1）賓漢流體（如重力流）（2）

假塑性流體（3）

膨脹性流體二、據(jù)邊界條件和流動(dòng)強(qiáng)度劃分：1、管道流2、明渠流（據(jù)福勞德數(shù)）劃分：（1）急流（2）

緩流（3）

臨界流三、據(jù)流動(dòng)狀態(tài)（據(jù)雷諾數(shù)）劃分：1、層流2、紊流《第三章沉積學(xué)相關(guān)的流體力學(xué)基本原理》結(jié)束謝謝大家第三章沉