第10章流体力学课件.ppt
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- 10 流体力学 课件
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1、流流 体体 力力 学学10.1 概述渗流:渗流:液体在孔隙介质液体在孔隙介质(Porous Media)中的流动中的流动。10.1.1 水在土中的状态水在土中的状态汽态水:汽态水:水蒸汽;水蒸汽;附着水和薄膜水:附着水和薄膜水:受分子力作用吸附于土粒表面;受分子力作用吸附于土粒表面;毛细水:毛细水:受表面张力作用在土隙间运动;受表面张力作用在土隙间运动;重力水:重力水:受重力作用在土隙间流动受重力作用在土隙间流动1.水在土中的状态水在土中的状态2.土壤的渗流特性土壤的渗流特性 土壤的渗流特性是指土壤通过水的能力。它与土壤的土壤的渗流特性是指土壤通过水的能力。它与土壤的孔隙大小、形状、分布等因素
2、有关,还与土壤中水的储孔隙大小、形状、分布等因素有关,还与土壤中水的储量有关。量有关。流流 体体 力力 学学透水性透水性 指土壤允许水流通过的能力,主要与如下因素有指土壤允许水流通过的能力,主要与如下因素有关:关:孔隙率孔隙率n:n=w/W,w为孔隙体积;为孔隙体积;W为土样体积。为土样体积。n愈愈大,透水性愈好。大,透水性愈好。不均匀系数不均匀系数:=d60/d10,d60 和和d10分别为能通过分别为能通过60%和和10%土重的筛孔直径。土重的筛孔直径。愈大,愈不均匀。愈大,愈不均匀。3.土壤分类土壤分类均质土:渗透性质与空间位置无关。均质土:渗透性质与空间位置无关。非均质土:渗透性质与空
3、间位置有关。非均质土:渗透性质与空间位置有关。等向土:渗透性质与方向无关。等向土:渗透性质与方向无关。非等向土:渗透性质与方向有关。非等向土:渗透性质与方向有关。本章仅讨论均质等向土壤中的恒定渗流。本章仅讨论均质等向土壤中的恒定渗流。流流 体体 力力 学学10.1.2 渗流模型 渗流模型是渗流区域(流体和孔隙介质所占据的空间)的边界条件保持不变,略去全部土颗粒,认为渗流区连续充满流体,而流量与实际流量相同,压强和渗流阻力也与实际流体相同的替代流场。渗流速度实际平均速度QuA1Qu AuuuAAn AA:中的孔隙面积n:土的孔隙度 渗流模型将渗流作为连续空间内连续介质的运动,使得前面基于连续介质
4、建立起来的描述流体运动的方法和慨念,能直接应用于渗流中。使得在理论研究渗流问题成为可能。流流 体体 力力 学学10.1.3 渗流分类渗流分类 1)按参数随时间变化分:恒定和非恒定渗流;2)按参数沿流程变化分:均匀和非均匀渗流;3)按参数的自变量个数:一元、二元、三元渗流;4)按有无自由水面分:无压和有压渗流;5)按水头损失与流速的关系分:线性和非线性渗流10.1.4 不计流速水头不计流速水头 渗流速度很小,流速水头更小。忽略不计,则过流断面总水头等于测压管水头,即ppHHzg或者说,渗流的测压管水头等于总水头,测压管水头差就是水头损失,测压管水头线的坡度就是水力坡度,Jp=J。流流 体体 力力
5、 学学10.2 渗流的达西定律10.2.1 达西定律由法国工程师达西在沙质土壤中进行了大量实验,总结出了由法国工程师达西在沙质土壤中进行了大量实验,总结出了 渗流渗流流速与渗流能量损失之间流速与渗流能量损失之间的基本关系式,称为达西定律。的基本关系式,称为达西定律。实验装置如图。一直立圆筒上端开口,实验装置如图。一直立圆筒上端开口,内装有均质砂土,筒侧壁两根侧压管,圆筒内装有均质砂土,筒侧壁两根侧压管,圆筒 上部有一进水管,并设有溢流管以保持圆筒上部有一进水管,并设有溢流管以保持圆筒 内水位恒定。圆筒底部附近安有一滤板内水位恒定。圆筒底部附近安有一滤板C C,圆筒上部的水透过砂土,通过滤板,经
6、短管圆筒上部的水透过砂土,通过滤板,经短管 T T 流入容器流入容器V V 中,测出中,测出t t 时间内流入容器时间内流入容器 中的水的体积,得到渗流流量。中的水的体积,得到渗流流量。流流 体体 力力 学学对对 1 1-1 1、2 2-2 2 断面列能量方程,因为渗流流速很小,故忽略渗流流速断面列能量方程,因为渗流流速很小,故忽略渗流流速水头,则测压管水头就是水头损失,即水头,则测压管水头就是水头损失,即 相应的水力坡度为相应的水力坡度为采用不同尺寸、不同类型的均质砂土,经大量实验后发现以下规律:采用不同尺寸、不同类型的均质砂土,经大量实验后发现以下规律:Q Q通过圆筒砂土的渗流量;通过圆筒
7、砂土的渗流量;A A圆筒过水断面面积;圆筒过水断面面积;k k渗透系数,渗透系数,m/sm/s 过水断面的平均流速过水断面的平均流速 (1 1)21hhhw(2 2)LhhLhJw21(3 3)kAJLhkAQw(4 4)kJAQv流流 体体 力力 学学 达西实验是在等直径圆筒内均质砂土中进行的,属于均匀渗流,可以认为各点的流动状况相同,各点的速度等于断面平均流速。平均流速的速度公式又可写为ukJ 上式称为达西定律,该定律表明渗流的水力坡度即单位距离上的水头损失与渗流速度的一次方成比例,因此也称力渗流线性定律。达西定律推广到非均匀,非恒定渗脆中,其表达式为dHukJkds 流流 体体 力力 学
8、学 达西定律表示的渗流水头损失与流速的一次方成正比,达西定律表示的渗流水头损失与流速的一次方成正比,因此仅适用于服从线性渗流规律的范围。当流速达到一定值因此仅适用于服从线性渗流规律的范围。当流速达到一定值后,水头损失后,水头损失J与流速与流速1-2次方成比例,不满足线性关系。次方成比例,不满足线性关系。10.2.2 10.2.2 达西定律的使用范围达西定律的使用范围 关于达西定律的适用范围,可用雷诺数进行判别,因为土孔隙的大小形状扣分布在很大的范围内变化相应的判别雷诺数为Re110vd式中 v渗流断面平均流速;d土颗粒的有效直径;水的运动粘度。流流 体体 力力 学学10.2.3 10.2.3
9、渗透系数的确定渗透系数的确定 多用于重要的大型工程,一般采用钻孔抽水或注水方法多用于重要的大型工程,一般采用钻孔抽水或注水方法测得流量和水头,测得流量和水头,再根据相应公式反算再根据相应公式反算k。渗透系数渗透系数k是反映土壤特性的一个综合性指标,受多种因是反映土壤特性的一个综合性指标,受多种因素影响,如孔隙介质的特性、液体的物理特性等。确定素影响,如孔隙介质的特性、液体的物理特性等。确定k值有值有3中方法:中方法:1.实验室测定法实验室测定法利用达西实验装置,利用达西实验装置,实测水头损失实测水头损失hw和流量和流量Q,求得,求得3.经验方法2.现场测定法现场测定法wQlkAh各类土的渗透系
10、数见下表流流 体体 力力 学学土名土名k/m/dk/cm/s粘土粘土 0.005 60.000 710-2土的渗透系数土的渗透系数流流 体体 力力 学学10.3 地下水的渐变渗流 设非均匀渐变流如图所示,取相距为ds的过流断面l-1、2-2,根掘渐变流的性质,过流断面近于平面,面上各点的测压管水头皆相等。又由于渗流的总水头等于测压管水头所以1-l与2-2断面之间任一流线上的水头损失相同12HHdH 因为渐变流的流线近于平行直线,1-1与2-2断面同各流线的长度近于ds则过流断面上上各点的水力坡度相等dHJds 流流 体体 力力 学学dHJds 代入ukJ过流断面上各点的流速相等,并等于断面平均
11、流速,流速分布图形为矩形dHvukJkds 上式称裘皮依公式它是法国学者裘皮依在1857年首先提出的公式形式虽然和达西定律一样,但含意已是渐变渗流过流断面上,平均速度与水力坡度的关系。流流 体体 力力 学学10.3.2 渐变渗流基本方程 设无压非均匀渐变渗流,不透水地层坡度为i,取过流断面1-1、2-2,相距ds,水深和测压管水头的变化分别为dh和dH(如图所示)。1-1断面的水力坡度()dHdzdhdhJidsdsdsds 将上式代入dHvkJkds,得断面平均渗流速度dhvk ids流流 体体 力力 学学()dHdzdhdhJidsdsdsds 将上式代入dHvkJkds,得断面平均渗流速
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