搜索萬里長江，險在荊江：荊江為何如此蜿蜒曲折？【轉發】
2017-06-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
渡遠荊門外,來從楚國游。
山隨平野盡,江入大荒流。
這是大詩人李白青年時代遠游時寫下的詩句。他乘船沿長江順流而下,船出三峽、過荊門山后,眼前是一望無際的低平的原野,江水流速減緩,河道迂曲。長江的這一段,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,河道長度為240千米,而直線距離只有80千米,江流在這里繞了16個大彎,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,抬升了河床,使得洪水很容易泛濫成災,故有“萬里長江,險在荊江”的說法。在歷次長江特大洪水中,荊江都是災情最為嚴重的河段。
圖1 荊江(圖片來源:CCTV紀錄片《話說長江》)
圖2 荊江蜿蜒曲折的河道(圖片來源:
http://news.163.com/12/0727/17/87EGOAE100014JB6.html)
如果留心觀察的話,可以發現流過平原的河流通常都是蜿蜒曲折的,而且,隨著時間的推移,彎曲程度會越來越大(圖3)。這是為什么呢?
圖3 河道的變遷規律(圖片來源:文獻[2])
圖4 古巴的考托河(圖片來源:wikipedia)
圖5 英國的卡克米爾河(圖片來源:wikipedia)
原來,河水經過彎曲河道處的流動,當流線彎曲時,外側的壓強一定是大于內側的。對于河水表面處而言,內、外側的壓強都等于大氣壓強,是不能提供這個向心力的,因此河流從直河道進入轉彎的河道時,在河面上必然有一部分河水向外側流動,使外側的河面高于內側。這樣,在河水內部相同海拔深度的地方,外側的河水深度更大而產生更大的壓強,提供了向心力使河水轉彎。但是在河底附近存在著邊界層,水流速較小,本來不需要那么大的向心力就可以轉過相同的彎度,于是河底的水在這個向心力的作用下就會轉過更小曲率半徑的彎。這樣,就在河道截面形成了二次環流(圖6)。在二次環流的作用下,凹岸不斷沖刷崩退,凸岸不斷淤長,使得河道的彎曲程度不斷加劇。
圖6 轉彎處河水的流動規律和二次環流的形成
彎曲河道中的二次環流屬于二次流(secondary flow)現象。二次流現象是指疊加在一次流(primary flow)上的、比一次流弱的流動。其中,一次流是指可以用無粘流體模型預測的流動。在上面這個例子中,沿著河道的流動是一次流,而河道截面中的環流是二次流。使用無粘流體模型是不能預測出河道截面中的環流的,這是因為在無粘流體模型中,河底是不存在邊界層的。
實際上,二次流現象在流體的運動中是很普遍的。例如,當流體流過彎曲的管道的時候,在截面內會形成一對旋轉方向相反的渦流(圖7)。這種渦流對于彎曲管道局部阻力的形成具有重要的貢獻。
圖7 彎管中的二次流(圖片來源:文獻[4])
另一個例子是著名的“茶杯實驗”,即在茶杯的底部放有少量茶葉,攪拌茶水使之旋轉,可以發現茶葉往中心聚攏。有些人可能會認為,茶葉的密度比水大,在慣性離心力的作用下應該向四周擴散才對。其實,由于茶杯內存在二次流現象,杯底附近的茶水具有往中心聚攏的徑向速度分量,因此帶動了茶葉也向中心聚攏。(圖8)
圖8 茶杯中的二次流(圖片來源:文獻[2])
實驗視頻:茶杯中的二次流
在葉輪機械中也常常存在二次流。例如,在航空發動機的壓氣機中,就存在二次流現象(圖9)。二次流的存在增加了額外的粘性耗散,降低了壓氣機的效率。
圖9 航空發動機壓氣機中的二次流。在航空發動機領域也稱為“通道渦”。(圖片來源:文獻[5])
作者感謝北京航空航天大學能源與動力工程學院的研究生蔡雁南。她閱讀了本文的初稿并提出了寶貴的意見。
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參考文獻
[1] http://www.cctv.com/geography/special/changjiang/20040607/101271.shtml
[2]王洪偉. 我所理解的流體力學. 國防工業出版社,2016
[3] 徐國賓. 河流動力學專論. 中國水利水電出版社,2013
[4]李玉柱, 賀五洲 等. 工程流體力學. 清華大學出版社, 2006
[5]彭澤琰, 劉剛. 航空燃氣輪機原理. 國防工業出版社, 2000
轉自微信公眾號:流體那些事兒 葉漢玉
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