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愛國的現代詩歌非常短


[拼音]:yizhongliu

[英文]:density current

在重力場中由於流體密度差異而產生的分層流動,又稱密度流或重力流。氣流或水流各部分溫度不同,氣流中挾帶水氣、塵埃及其他顆粒物,水流中挾帶細粒泥沙或含有鹽份等,都會產生流體密度差異而形成異重流。圖 1為水庫上游未端形成的異重流。異重流可分雙層體系和多層體系兩類。在自然界中,異重流的表現形式有水庫中的分層潛流,河流入海口鹽水入侵淡水,大氣中冷暖氣流所形成的鋒面等。

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研究簡史

19世紀末,瑞士學者觀察到渾濁的低溫河水潛入湖底形成潛流。1935年,美國米德湖水庫排出渾水,這個現象表明渾水進庫可在庫底持續執行百餘公里,再排出庫外。於是,異重流現象引起有關學科學者的重視。40年代,美國開始在實驗室和水庫進行實驗和觀測。1953年起,中國學者首先在官廳水庫進行觀測,後來在三門峽等水庫進行實驗,並且在室內進行試驗研究,探索利用異重流的規律以排洩泥沙出庫。

基本方程

異重流的基本方程是以流體力學的基本方程為基礎匯出的。現以最簡單的恆定的均勻底層流作為說明。當底層水流受到底部邊界和可動交介面的剪下阻力和由於密度差而產生的重力作用互相平衡時,沿著底坡即可形成恆定的均勻異重流(圖2)。

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對於二元水流,平衡方程式為:

τ0+τi=ΔρgSd, (1)

式中Δρ為兩層流體的密度差;d為下層流體的水深;S為河床坡降;τ0和τi為底部和交介面的剪下應力。設τi=

α

τ0,

α

隨著底部和交介面之間最大流速的位置而變化。消去式(1)中的τi,即得:

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。(2)

如用適用於層流和湍流的摩阻公式來表示,則為:

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, (3)

式中f為常用的達西-魏斯巴赫摩擦係數(見管流)。由式(2)、(3)得異重流的平均流速為:

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(4)

式(4)和謝才公式的通用形式

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完全一致。但要把式(4)中的f 改為f(1+

α

),這是因為增加了交介面的阻力;更為重要的是把g要改為

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,這是因為下層流體的有效重力顯著減小的緣故。經過上述修正,許多明槽水流運動公式,都可以應用於異重流。

交介面的穩定和摻混

流速很低的異重流分介面是清晰的。在分介面,流體密度是突變的,而流速則是連續變化的。當兩層流體的相對流速增加時,分介面會形成波浪;當這種流速達到臨界值時,分介面波浪會發生週期性的破碎,開始出現摻混。美國G.H.科立根於1949年獲得穩定引數或摻混判別式:

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,(5)

式中

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為弗勞德數;

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為雷諾數;v為異重流相對於上層流體的流速。對於層流,美國A.T.伊彭和D.R.F.哈勒曼於1952年通過試驗方法確定,水流處於臨界水深,即Fr=1時(見無壓流),就發生摻混。

對於湍流,科立根 1949 年確定發生摻混的臨界值θcr =0.18,根據式(5)計算出的θ值小於θcr 就發生摻混。

展望

幾十年來發表的異重流文獻很多,但還有不少問題需要進一步研究。主要有:

(1)交介面的摻混交換機理。具有不同性質物理量的清渾水、冷熱水、冷熱氣流、含鹽渾水和含鹽清水,它們之間的傳遞機理不同,也影響到交介面的阻力。

(2)不恆定異重流。自然界的異重流大多屬於不恆定流,洪峰期間進入水庫的渾水、河口含泥鹽水形成的楔形底流在潮汐作用下的運動規律都不能忽視慣性力的作用。從發展情況看,數學力學分析和計算,結合室內實驗和野外觀測,都是解決實際問題不可缺少的途徑。

參考文章

垂向異重流式水沙分離鰓水沙分離機理淺析廢水治理

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