搜索万里长江，险在荆江：荆江为何如此蜿蜒曲折？【转发】
2017-06-25 by:CAE仿真在线 来源:互联网
渡远荆门外,来从楚国游。
山随平野尽,江入大荒流。
这是大诗人李白青年时代远游时写下的诗句。他乘船沿长江顺流而下,船出三峡、过荆门山后,眼前是一望无际的低平的原野,江水流速减缓,河道迂曲。长江的这一段,即从湖北枝城至湖南城陵矶,又叫做荆江。荆江河道呈西北、东南向,习惯上以藕池口为界,分为上荆江和下荆江。下荆江江流蜿蜓曲折,河道长度为240千米,而直线距离只有80千米,江流在这里绕了16个大弯,素有“九曲回肠”之称,属典型的蜿蜒型河道。荆江河道曲折,洪水宣泄不畅,而且上游河水夹带的泥沙在这里由于河水流速降低而沉积下来,抬升了河床,使得洪水很容易泛滥成灾,故有“万里长江,险在荆江”的说法。在历次长江特大洪水中,荆江都是灾情最为严重的河段。
图1 荆江(图片来源:CCTV纪录片《话说长江》)
图2 荆江蜿蜒曲折的河道(图片来源:
http://news.163.com/12/0727/17/87EGOAE100014JB6.html)
如果留心观察的话,可以发现流过平原的河流通常都是蜿蜒曲折的,而且,随着时间的推移,弯曲程度会越来越大(图3)。这是为什么呢?
图3 河道的变迁规律(图片来源:文献[2])
图4 古巴的考托河(图片来源:wikipedia)
图5 英国的卡克米尔河(图片来源:wikipedia)
原来,河水经过弯曲河道处的流动,当流线弯曲时,外侧的压强一定是大于内侧的。对于河水表面处而言,内、外侧的压强都等于大气压强,是不能提供这个向心力的,因此河流从直河道进入转弯的河道时,在河面上必然有一部分河水向外侧流动,使外侧的河面高于内侧。这样,在河水内部相同海拔深度的地方,外侧的河水深度更大而产生更大的压强,提供了向心力使河水转弯。但是在河底附近存在着边界层,水流速较小,本来不需要那么大的向心力就可以转过相同的弯度,于是河底的水在这个向心力的作用下就会转过更小曲率半径的弯。这样,就在河道截面形成了二次环流(图6)。在二次环流的作用下,凹岸不断冲刷崩退,凸岸不断淤长,使得河道的弯曲程度不断加剧。
图6 转弯处河水的流动规律和二次环流的形成
弯曲河道中的二次环流属于二次流(secondary flow)现象。二次流现象是指叠加在一次流(primary flow)上的、比一次流弱的流动。其中,一次流是指可以用无粘流体模型预测的流动。在上面这个例子中,沿着河道的流动是一次流,而河道截面中的环流是二次流。使用无粘流体模型是不能预测出河道截面中的环流的,这是因为在无粘流体模型中,河底是不存在边界层的。
实际上,二次流现象在流体的运动中是很普遍的。例如,当流体流过弯曲的管道的时候,在截面内会形成一对旋转方向相反的涡流(图7)。这种涡流对于弯曲管道局部阻力的形成具有重要的贡献。
图7 弯管中的二次流(图片来源:文献[4])
另一个例子是著名的“茶杯实验”,即在茶杯的底部放有少量茶叶,搅拌茶水使之旋转,可以发现茶叶往中心聚拢。有些人可能会认为,茶叶的密度比水大,在惯性离心力的作用下应该向四周扩散才对。其实,由于茶杯内存在二次流现象,杯底附近的茶水具有往中心聚拢的径向速度分量,因此带动了茶叶也向中心聚拢。(图8)
图8 茶杯中的二次流(图片来源:文献[2])
实验视频:茶杯中的二次流
在叶轮机械中也常常存在二次流。例如,在航空发动机的压气机中,就存在二次流现象(图9)。二次流的存在增加了额外的粘性耗散,降低了压气机的效率。
图9 航空发动机压气机中的二次流。在航空发动机领域也称为“通道涡”。(图片来源:文献[5])
作者感谢北京航空航天大学能源与动力工程学院的研究生蔡雁南。她阅读了本文的初稿并提出了宝贵的意见。
未经许可,不得转载
长按二维码关注流体那些事儿
参考文献
[1] http://www.cctv.com/geography/special/changjiang/20040607/101271.shtml
[2]王洪伟. 我所理解的流体力学. 国防工业出版社,2016
[3] 徐国宾. 河流动力学专论. 中国水利水电出版社,2013
[4]李玉柱, 贺五洲 等. 工程流体力学. 清华大学出版社, 2006
[5]彭泽琰, 刘刚. 航空燃气轮机原理. 国防工业出版社, 2000
转自微信公众号:流体那些事儿 叶汉玉
相关标签搜索：万里长江，险在荆江：荆江为何如此蜿蜒曲折？【转发】 Fluent培训 Fluent流体培训 Fluent软件培训 fluent技术教程 fluent在线视频教程 fluent资料下载 fluent分析理论 fluent化学反应 fluent软件下载 UDF编程代做 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析
