河道水流能量分布与转换

河道过水断面内单位水体能量的分布及转换过程。

在二维均匀流中，水流的能量全部来自势能。单位时间内离河底y处单位水体提供的能量为

式中，J为能坡；u为流速；τ为切应力；γ为单位体积水重。由于γJ=-dτ/dy沿水深各点不变，w_b沿水深分布接近于流速沿水深的分布，水面处最大，河底处最小。

自水流中取出的能量，有一小部分通过水流黏滞作用就地散失为热能。单位时间内单位体积水体因克服当地阻力而损失的能量为

因切应力τ沿水深呈直线分布，如流速分布遵循L.普朗特对数分布规律，则

式中，τ₀为河底切应力；

由于提供能自水面向河底减小而消耗能自水面向河底增大，水流上部能量有余而下部能量不足，水流能量自上向下传递以维持能量平衡。单位时间内单位水体传递的能量为

即传递能在水面等于提供能，在河底等于消耗能。在距河底不远处某点提供能与消耗能相等，传递能等于零，在该点以上称为主流区，有剩余能量向下传递，以下称为近壁区，需从主流区吸取能量供消耗之用。

近壁区内的能量小部分通过黏滞变形而就地耗散为热，相当部分能量转化成紊动能，该能量就是涡体产生的紊动切应力对流动作的变形功。紊动能除在近壁区因涡体紊动而消耗部分外，其余由涡体扩散上升带到主流区以至水面，并在主流区内因涡体分解和黏性变形而转化成热能而损耗。