河道水流能量分布與轉換

河道過水斷面內單位水體能量的分布及轉換過程。

基本介紹

  • 中文名:河道水流能量分布與轉換
  • 外文名:flowenergydistributionandtransferinriver
水流能量計算,能量轉化,

水流能量計算

在二維均勻流中,水流的能量全部來自勢能。單位時間內離河底y處單位水體提供的能量為
(1)
式中,J為能坡;u為流速;
為切應力;
為單位體積水重。由於
沿水深各點不變,
沿水深分布接近於流速沿水深的分布,水面處最大,河底處最小。
自水流中取出的能量,有一小部分通過水流黏滯作用就地散失為熱能。單位時間內單位體積水體因克服當地阻力而損失的能量為
(2)
因切應力
沿水深呈直線分布,如流速分布遵循L.普朗特對數分布規律,則
河道水流能量分布與轉換
式中,
為河底切應力;
為摩阻流速;h為水深;g為重力加速度;k為卡門常數。因此,在水m面(y=h)處,
=0;在河底(y=0)處,
為無窮大,實際上應為一定值,即消耗能自水面河底增大。
由於提供能自水面向河底減小而消耗能自水面向河底增大,水流上部能量有餘而下部能量不足,水流能量自上向下傳遞以維持能量平衡。單位時間內單位水體傳遞的能量為
河道水流能量分布與轉換
即傳遞能在水面等於提供能,在河底等於消耗能。在距河底不遠處某點提供能與消耗能相等,傳遞能等於零,在該點以上稱為主流區,有剩餘能量向下傳遞,以下稱為近壁區,需從主流區吸取能量供消耗之用。

能量轉化

近壁區內的能量小部分通過黏滯變形而就地耗散為熱,相當部分能量轉化成紊動能,該能量就是渦體產生的紊動切應力對流動作的變形功。紊動能除在近壁區因渦體紊動而消耗部分外,其餘由渦體擴散上升帶到主流區以至水面,並在主流區內因渦體分解和黏性變形而轉化成熱能而損耗。

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