弗劳德数

弗劳德数,第1张

弗劳德数 急流、缓流和弗劳德数

按边界条件的不同,液体流动可分为管道流和明渠流两种类型。

前者是液体充满了管道的流动,为有压流;后者为液体(水介质)表面与大气接触的自由表面,如河道、水渠,是在重力作用下的流动,为无压流。

流体流动的规律大多是研究管道流获得的,其规律经过校正也适用于明渠流。

沉积学所研究的对象大多是明渠流,明渠水流中按流动强度可分为急流、缓流和临界流三种流态。

急流和缓流表示流体的流动强度。

它们定性的区别可观察流水遇到障碍物(大石块、桥墩等)时的表现(图3-2),即缓流在障碍物处发生水面跌落,而障碍物上游水面发生壅高,并延伸到上游较远处;而急流在障碍物处激起浪花,一涌而过,只在障碍物附近的水面有所升高,而对稍远的上游水面不发生任何变化。

这表明缓流能将障碍物的干扰向上游传播,而急流只能引起障碍物所在位置的局部干扰,不能向上游传播。

图3-2 急流(A)和缓流(B)遇到障碍物时的流动特点(据华东水利学院,1979)弗劳德数(Fr)是判别流体流动强度的准则,表示为:沉积学及古地理学教程(第二版)式中:Fr为弗劳德数(Froude number);v为流速;g为重力加速度;h为水深。

弗劳德数(Fr)是一个量纲为一的参数。

当Fr=1时,说明水流受惯性力与重力作用相等,为临界流动状态;Fr>1时,惯性力作用大于重力作用(惯性力起主导作用),水流为急流,也称高流态;当Fr<1时,惯性力作用小于重力作用(重力起主导作用),水流为缓流,也称低流态。

由上述力学分析可看出,急流和缓流的变化受重力控制,故这种流态变化只出现在明渠流中,管道流中不存在,因为它不受重力影响。

明渠条件下,要使Fr值达到1,要求水深10m,流速9.9m/s,这样高的流速在自然界中极为罕见,在浅水环境中,流速一般只有2m/s。

因此,急流一般在局部地段或几厘米至几米的浅水条件下才出现。

急流、缓流与弗劳德数

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