萬(wàn)里長(zhǎng)江，險(xiǎn)在荊江：荊江為何如此蜿蜒曲折？【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-06-25  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

渡遠(yuǎn)荊門外,來(lái)從楚國(guó)游。

山隨平野盡,江入大荒流。

這是大詩(shī)人李白青年時(shí)代遠(yuǎn)游時(shí)寫下的詩(shī)句。他乘船沿長(zhǎng)江順流而下,船出三峽、過(guò)荊門山后,眼前是一望無(wú)際的低平的原野,江水流速減緩,河道迂曲。長(zhǎng)江的這一段,即從湖北枝城至湖南城陵磯,又叫做荊江。荊江河道呈西北、東南向,習(xí)慣上以藕池口為界,分為上荊江和下荊江。下荊江江流蜿蜓曲折,河道長(zhǎng)度為240千米,而直線距離只有80千米,江流在這里繞了16個(gè)大彎,素有“九曲回腸”之稱,屬典型的蜿蜒型河道。荊江河道曲折,洪水宣泄不暢,而且上游河水夾帶的泥沙在這里由于河水流速降低而沉積下來(lái),抬升了河床,使得洪水很容易泛濫成災(zāi),故有“萬(wàn)里長(zhǎng)江,險(xiǎn)在荊江”的說(shuō)法。在歷次長(zhǎng)江特大洪水中,荊江都是災(zāi)情最為嚴(yán)重的河段。

圖1 荊江(圖片來(lái)源:CCTV紀(jì)錄片《話說(shuō)長(zhǎng)江》)

圖2 荊江蜿蜒曲折的河道(圖片來(lái)源:

http://news.163.com/12/0727/17/87EGOAE100014JB6.html)

如果留心觀察的話,可以發(fā)現(xiàn)流過(guò)平原的河流通常都是蜿蜒曲折的,而且,隨著時(shí)間的推移,彎曲程度會(huì)越來(lái)越大(圖3)。這是為什么呢?

圖3 河道的變遷規(guī)律(圖片來(lái)源:文獻(xiàn)[2])

圖4 古巴的考托河(圖片來(lái)源:wikipedia)

圖5 英國(guó)的卡克米爾河(圖片來(lái)源:wikipedia)

原來(lái),河水經(jīng)過(guò)彎曲河道處的流動(dòng),當(dāng)流線彎曲時(shí),外側(cè)的壓強(qiáng)一定是大于內(nèi)側(cè)的。對(duì)于河水表面處而言,內(nèi)、外側(cè)的壓強(qiáng)都等于大氣壓強(qiáng),是不能提供這個(gè)向心力的,因此河流從直河道進(jìn)入轉(zhuǎn)彎的河道時(shí),在河面上必然有一部分河水向外側(cè)流動(dòng),使外側(cè)的河面高于內(nèi)側(cè)。這樣,在河水內(nèi)部相同海拔深度的地方,外側(cè)的河水深度更大而產(chǎn)生更大的壓強(qiáng),提供了向心力使河水轉(zhuǎn)彎。但是在河底附近存在著邊界層,水流速較小,本來(lái)不需要那么大的向心力就可以轉(zhuǎn)過(guò)相同的彎度,于是河底的水在這個(gè)向心力的作用下就會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)更小曲率半徑的彎。這樣,就在河道截面形成了二次環(huán)流(圖6)。在二次環(huán)流的作用下,凹岸不斷沖刷崩退,凸岸不斷淤長(zhǎng),使得河道的彎曲程度不斷加劇。

圖6 轉(zhuǎn)彎處河水的流動(dòng)規(guī)律和二次環(huán)流的形成

彎曲河道中的二次環(huán)流屬于二次流(secondary flow)現(xiàn)象。二次流現(xiàn)象是指疊加在一次流(primary flow)上的、比一次流弱的流動(dòng)。其中,一次流是指可以用無(wú)粘流體模型預(yù)測(cè)的流動(dòng)。在上面這個(gè)例子中,沿著河道的流動(dòng)是一次流,而河道截面中的環(huán)流是二次流。使用無(wú)粘流體模型是不能預(yù)測(cè)出河道截面中的環(huán)流的,這是因?yàn)樵跓o(wú)粘流體模型中,河底是不存在邊界層的。

實(shí)際上,二次流現(xiàn)象在流體的運(yùn)動(dòng)中是很普遍的。例如,當(dāng)流體流過(guò)彎曲的管道的時(shí)候,在截面內(nèi)會(huì)形成一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流(圖7)。這種渦流對(duì)于彎曲管道局部阻力的形成具有重要的貢獻(xiàn)。

圖7 彎管中的二次流(圖片來(lái)源:文獻(xiàn)[4])

另一個(gè)例子是著名的“茶杯實(shí)驗(yàn)”,即在茶杯的底部放有少量茶葉,攪拌茶水使之旋轉(zhuǎn),可以發(fā)現(xiàn)茶葉往中心聚攏。有些人可能會(huì)認(rèn)為,茶葉的密度比水大,在慣性離心力的作用下應(yīng)該向四周擴(kuò)散才對(duì)。其實(shí),由于茶杯內(nèi)存在二次流現(xiàn)象,杯底附近的茶水具有往中心聚攏的徑向速度分量,因此帶動(dòng)了茶葉也向中心聚攏。(圖8)

圖8 茶杯中的二次流(圖片來(lái)源:文獻(xiàn)[2])

實(shí)驗(yàn)視頻:茶杯中的二次流

在葉輪機(jī)械中也常常存在二次流。例如,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)中,就存在二次流現(xiàn)象(圖9)。二次流的存在增加了額外的粘性耗散,降低了壓氣機(jī)的效率。

圖9 航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中的二次流。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域也稱為“通道渦”。(圖片來(lái)源:文獻(xiàn)[5])

作者感謝北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院的研究生蔡雁南。她閱讀了本文的初稿并提出了寶貴的意見(jiàn)。

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參考文獻(xiàn)

[1] http://www.cctv.com/geography/special/changjiang/20040607/101271.shtml

[2]王洪偉. 我所理解的流體力學(xué). 國(guó)防工業(yè)出版社,2016

[3] 徐國(guó)賓. 河流動(dòng)力學(xué)專論. 中國(guó)水利水電出版社,2013

[4]李玉柱, 賀五洲 等. 工程流體力學(xué). 清華大學(xué)出版社, 2006

[5]彭澤琰, 劉剛. 航空燃?xì)廨啓C(jī)原理. 國(guó)防工業(yè)出版社, 2000

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