5、水流原理与特性深度解析

水流原理与特性深度解析

1. 雷诺数的计算

雷诺数可基于剪切速度和颗粒大小（或等效砂粗糙度 (k_s)）来计算，被称为边界、颗粒或剪切雷诺数（(Re^ )），其定义如下：
- (Re^ = U^ k_s / \nu) (2.37)
- (Re^ = U^ D / \nu) (2.38)
其中，(U^ ) 是剪切速度，(D) 是颗粒大小，(\nu) 是运动粘度，(k_s) 是等效砂粗糙度。对于大多数明渠流所具有的完全湍流，边界雷诺数（(Re^*)）超过 100。

2. 摩擦系数

水流阻力会影响三个主要水流变量：平均流速、平均水深和平均坡度（通常取平均水面坡度）。除了 (U/U^ ) 之比外，冲积河道中常用的水流阻力系数还有达西 - 韦斯巴赫和曼宁摩擦系数。
- 曼宁系数 ：是一个经验系数，定义为 (n = (d^{2/3} S^{1/2}) / U) (2.39)，其中 (d) 以米为单位，(U) 以米每秒为单位。在直的、平底且床料大致均匀的河道中，(n) 可仅根据颗粒大小估算：(n_g = 0.048 D_{50}^{1/6}) (2.40)，这里 (D_{50}) 以米为单位。
- 达西 - 韦斯巴赫摩擦系数 ：具有坚实的理论基础且无量纲，定义为 (f = 8gdS / U^2) (2.41)。由剪切速度 (U^ ) 的定义及相关方程可得 (f = 8U^{*2} / U^2)，以及 (1 / \sqrt{f} = 2.11 + 2.03 \log_{