起動拖曳力

使床面泥沙顆粒從靜止狀態轉入運動狀態的臨界水流切應力。

泥沙起動時的受力分析

顆粒的起動不僅需要水流的瞬時上舉力大於顆粒的水下重量,而且還需要它具有一定的持續時間,才能使顆粒運動。瞬時力的大小直接與脈動力相關,所以在研究泥沙的起動時必須考慮脈動力的影響。

起動拖曳力的大小

水流流經河床床面時,泥沙顆粒受到水流拖曳力、上舉力和重力(考慮浮力的有效重力)的作用,當水流作用力與泥沙顆粒的有效重力(或相應支撐點的力矩)相等時,泥沙顆粒處於起動臨界狀態,據此可導出泥沙起動拖曳力公式的一般形式。起動拖曳力與泥沙容重、泥沙顆粒粒徑d、水的運動粘滯性係數、水流摩阻流速有關,一般計算公式為

拖曳力 /[( 泥沙容重 - 水容重 )*d] = f (水流摩阻流速 *d/ 水的運動粘滯性係數)

函式f的形式需要通過試驗來確定,根據A. F. 希爾茲(A. F. Shields)及其他一些學者的試驗資料繪製成曲線,即著名的Shields關係曲線,等式左邊為Shields數。

Shields起動拖曳力曲線

Shields起動拖曳力曲線是根據試驗資料得出的反映拖曳力公式的曲線。1963年,Shields對各種泥沙顆粒進行了臨界起動試驗,實測得到了無量綱臨界起動剪下應力與顆粒雷諾數的關係曲線,即Shields起動拖曳力曲線。Shields起動拖曳力曲線具有以下特點:

(1)曲線呈馬鞍形,顆粒雷諾數Re*=水流摩阻流速*d/水的運動粘滯性係數=10附近,Shields數最小,此時近壁層流層厚度與泥沙粒徑相近,泥沙最易起動;

(2)在床面處於光滑區時,泥沙受近壁層流層的掩蔽作用,需要更大的拖曳力才能使之運動,在Re*<2時,曲線成為一條45度的直線,Shields數與泥沙粒徑無關;

(3)Re*<10,不易於起動,起動拖曳力隨著粒徑減小而加大;

(4)在Re*>10以後,隨著泥沙粒徑增加,泥沙重量增加,加強了泥沙的穩定性,使之起動的臨界拖曳力也相應增加;

(5)在Re*>1000以後,Shields數接近於一個常數0.06。

根據其他學者的研究,在Re*<2時,Shields數應該與Re*的0.3次方成反比;在Re*很大時,Shields數可能小於0.06,可以將0.06作為上限,下限為0.04左右。

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