В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Последняя существенна лишь для ламинарного движения. Применяя принцип размерности, для ламинарного режима получим и = С, — „(формула Пуазейля), ~г (2.34) а для турбулентного и = С2 ~рЬ (формула Шези), (2.35) где С и С2 — безразмерные постоянные, определяемые из опыта. Речные потоки, как правило, характеризуются очень сложной формой русла. Это объясняется тем, 'что стенки и дно руслового потока сложены из размываемого материала и, следовательно, легко деформируются самим потоком.
Ширина реки обычно значительно превосходит ее, глубину, что обусловлено более интенсивным развитием боковой эрозии по сравнению с глубинной. Деформация же русла с неизбежностью сказывается на поле скорости потока. Таким образом, исследуя русловый поток, мы сталкиваемся с задачей о движении жидкости в условиях взаимодействия между потоком и его руслом.
Поток,и русло взаимосвязаны: поток деформирует русло и наоборот. На закруглениях реки формируется циркуляция, придающая устойчивость тем изгибам реки, в которых она реализовалась. Следует отметить, что пока строгого математического аппарата для оценки взаимодействия потока и русла нет. Известно, что даже в том случае, когда берега реки прямолинейны, ось потока нередко имеет синусоидальный характер. Но обыч- 273 всегда отрицательно.
Это свидетельствует о том, что восходящие струи в вальце в среднем круче нисходящих, т.е. вальцы несимметричны относительно восходящих и нисходящих течений, большая часть вальца занята нисходящим движением. Следовательно, вальцы имеют удлиненную форму. Частота со их прохождения через фиксированное сечение колеблется в малых пределах.
Отсюда мы получаем постоянство числа Струхаля БЬ = вЬ/и для низких частот по всему течению потока. Число Струхаля оказалось постоянным для всех потоков одинаковой геометрии, но разных размеров. Это свидетельствует о существовании некоего статистического подобия в турбулентной структуре русловых потоков. Все вышеизложенное позволяет утверждать, что в формировании структуры турбулентного руслового потока первичными являются самые большие вихри, или вальцы, образующиеся при опрокидывании отрезков основного поступа- " тельного потока. Между смежными первичными вихрями, а также между ними и дном образу- Й== ются вторичные вихри, кото- у--~~-- рые, в свою очередь, передают энергию более мелким вихрям. ~'ЯфМДЯф~ф~~) ~ЯВЯХ На рис.
2.16, а представлены снимки вихревых образований в потоке, полученные с помощью фотоаппарата, равномерно движущегося над лотком со скоростью, близкой к средней ско- ===-=,=..'~~~~~~4$3,',а:,~~ 'Ъ~~~гф рости ядра потока. Водная по- ~:=„'%~~~~ ~4а=-='яжу-,- ~~~~~~~.— ° верхность в эксперименте была ~~~~~~~~~~., ' ~,))",у~~~р~=р~~ ~~,г~",~ЩИ На рис. 2.16, б приведена фото- т==:.==-.=--'-=."~Ф=:Й~ графия, на которой проявились вихревые образования, возник Рис 2.
16. Фотографии вихревых струк- шиЕ в результате неус Оич ос и тур в русловом потоке полученные Н.И. Никурадзе крупных вихрей. Поле осредненных скоростей в русловом потоке и крупные возмущения взаимообусловлены, Вихри с масштабом порядка глубины потока формируются в результате неустойчивости основного поступательного движения. Возмущения меньших размеров рождаются в результате неустойчивости самых крупных возмущений и сами по себе играют в русловом процессе, как упоминалось выше, лишь второстепенную роль. Поэтому М.А. Великанов предложил разли- 275 чать в,русловом потоке два важнейших типа движения: основное по- ступательное движение и вторичное движение, проявляющееся в ви- де низкочастотных пульсаций.
Он ввел условное разделение скорос- ти на три слагаемых: (2.37) и = и+ и'+ и"; Одним штрихом обозначены структурные, почти неслучайные колебания скоросги, соответствующие крупномасштабным вихревым образованиям, двумя штрихами — чисто случайные колебания. Поскольк) роль крупномасштабных 'и мелкомасштабных вихрей различна, Ы.А. Великанов постулировал отсутсгвие корреляции как между всеми случайными пульсациями скорости (и" и е"), так и межд) ними и структурными колебаниями. В таком случае произведение иГ~ будет равно (и + и' + и") (о + ю' + о") = иЪ', т.е. момент корреляции между продольной и вертикальной компонентами определяется лишь структурными отклонениями (скорость О предполагастся равной нулю).
Русло равнинных рек состоит из частиц, передвижка которых наступает лишь при повышенных значениях пульсирующих скоростей и связана с пульсациями самых низких частот. Высокочастотные же колебания малой амплитуды практически не влияю" ка движение наносов. Эксперименты и наблюдения в природе показали, что периоды пульсаций мутности близки к периодам крупномасштабных возмущений, а они, в свою очередь, — к периодам песчаных волн в момент нх возникновения.
Работа потока по подъему донных частиц и по поддержанию их в потоке сводится к работе взвешивания. В этом и выражается эрозионная деятельность водных потоков. На твердую частицу, лежащую на дне, действуют со стороны потока две силы: лобовое давление и подъемная сила, связанная с разностью скоростей выше и ниже частицы. Причем основная роль в переносе наносов на равнинных реках с песчаным дном принадлежит подъемной силе. Когда подъемная сила превышает вес частицы г; воде, частица отрывается от дна и уносится потоком. Смена восходящих и нисходящих течений определяет вероятность взвешивания. В среднем за достаточно большой промежуток времени поток, затрачивая часть своей энергии на работу взвешивания, тем самым совершает геренос наносов, Все рассмотренные выше вопросы динамики руслового потока относятся главным образом к рекам раенинпого характера. Горные же рскп изучены значительно меньше, Скорость течения горных рею существенно больше, чем равнинных, и каменистые осколки двигаются в них сравнительно быстро.
Горный поток имеетрусло с чрезвычайцой шероховатостью дна. Гидродинамической '' приз! 1 нак, позволя(ощий разграничить равнинные и гррные. феки, был дан Сен-Венином„разделившим' русловые потоки на реки и'"быстротоки,: исходя-, из .. особенностЕй'-распространения одиночной волны в них. Скорость распространения -одиночной врой 4см. с. 255) имеет вид с= (фй) ' Если скоросВ течения и, то в зависимости от направления волны вверх или вниз по потоку и1иеем с';=,. уЬ ' — и, с*'= яЬ ' + и. о,я Следовательйо, если и > уЬ) ', то волна вверх не пойдет и перед выступом образуется резкое однятие уровня поверхности, Если же ,о,ю и < ~уЬ~ ', то волна, возникающая благодаря, например, выступу на дн6, оудет распространяться вверх. Равнинные реки, скорость течения которых меньше, чем горных, как бы издали чувствуют препятствие и приспосабливают к нему свое движение.
Горная же река ударяется о препятствие, искажение течения происходит скачком. 'Одним из основййЪ методов изучения русловых потоков является лабораторное моделирование. Модель должна отражать прежде всего основную особенность руслового потока — взаимодействие потока и русла.
Динамическое подобие двух потоков принципиально осуществимо при равенстве для них критериев Рейнольдса Ке = иЬ /~ и Фруда Рг = иЧуЬ. Если вязкость жидкости м на модели и в природе одна и та же, то эти условия несовместимы, так как из определения критериев Рейнольдса и Фруда при этом вытекают совершенно различные зависимости скорости потока от глубины. Экспериментальным путем показано, что начиная с некоторого значения числа Рейнольдса критерий А=гг. г' перестает зависеть от этого числа.
3'го так называемая автомодельная область, которая на рис. 2.17 выделяется рядом горизонтальных прямых. Следовательно, подобие самого потока и его модели может быть достигнуто при выполнении автомодельности. Необходимо также, чтобы для модели и потока было одинаковым отношение силы сопротивления русла к размывающей силе ф в е е ф Ф Д~ /,5 1Я г,о ФЖФь1/ '4 66 ~ 8 4 6Ф ° 8 Ф 68 ~ 8 4 66 у 8 У' а' Рис.
2,17. Зависимость крнтерияА = Рг . ~ ог числа Рейнольдса Ие потока. Сила ет иид 8 Ря ~ ~з' тде Ю, — диаметр наносов, р, — нлопюсть наносов, р — плопюсгь води. Размыианмцую силу молию записать как Критерий Ф, равный ~ ~Рх Рм~ К 'Ж иа Ы И Р~ Р~ й= 7 Рк т.с, используют на модели заменитель наносов с меньшей плотностью, нежели плотность природных наносов (р, = 2,65 г/см ). з характеризует глубинную устойчивость русла. Однако требование Ч' Ыеш для модели и равнинных рек невыполнимо, поскольку в равнинных реках песок обычно бывает мелкий и смоделировать его так же, как глубину, уменьшением масштаба нельзя.
Чаще всето при моделировании уменьшают параметр а: Эту чисто техническую задачу необходимо решить, чтобы сделать возможным надежное лабораторазе моделирование равнинных рек. Для парных речек проблема лабораторного моделирования решается просты.'м масппабным уменьшением камней в русле. ГЛАВА 3 О1ХТИКА МОРЯ' Вода природных водоемов с точки зрения их оптических характеристик относится к так называемым мутным средам, изучению которых посвящено большое количество фундаменмльных исследований. Понимание закономерностей распространения лучиси>й энергии в океанах, морях, озерах и водохранилищах необходимо также для решения целого ряда прикладных задач.
К их числу можно отнести, в частности, использование гидрооптических характеристик с целью изучения термики и динамики водоемов; определение условий видимости подводных объектов; исследование влияния лучистой энергии иа жизнедеятельность водных организмов. С точки зрения оптических свойств природная вода содержит три оптически активных компонента: чистую воду, распюренные неорганические и органические вещества и взвесь минеральжио и органического происхождения. Создать модельную среду, по своим оптическим характеристикам подобную воде реальных водоемов, невозможно, поэтому источником наших знаний а световом режиме вод Мирового океана являются данные измерений ш злу. Оптическая область спектра электромагнитных волн сосредоточена в интервале длин волн от 0,01 мкм до 0,34 мм, т.е.
значительно превышает видимую часть спектра (от 0,4 до 0,8 мкм). Часть светового потока, падающего на поверхность водоемов, отражается от этой поверхности. Остальной световой поток после преломления входит в воду и распространяется в ней. Доля потока падающей радиации, отраженная от поверхности моря, называется альбедо поверхности моря, а доля радиации, вошедшая з море,— коэффициентом пропускания моря.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
