異重流

在重力場中由於流體密度差異而產生的分層流動，又稱密度流或重力流。氣流或水流各部分温度不同，氣流中挾帶水氣、塵埃及其他顆粒物，水流中挾帶細粒泥沙或含有鹽份等，都會產生流體密度差異而形成異重流。圖1為水庫上游末端形成的異重流。

異重流可分雙層體系和多層體系兩類。在自然界中，異重流的表現形式有水庫中的分層潛流，河流入海口鹽水入侵淡水，大氣中冷暖氣流所形成的鋒面等。對水流而言,引起密度差異的主要因素有:含沙量、水温、溶解質含量。由於水流挾帶泥沙而形成的異重流稱渾水異重流。流進水庫的渾濁河水成舌狀水流潛入庫底，在水庫清水之下沿庫底向前運動，形成水庫異重流；兩河交匯，當各自水流含沙量不同時，可在匯合處產生分層運動現象，形成河道異重流。由於水流温度不同而引起的異重流稱為温差異重流。進入湖泊（或水庫）的冷河水，潛入湖底，形成下層異重流向前運動；火電廠的冷卻水經冷凝器受熱排入河流後，在較冷的河水上層沿程流動，形成上層異重流。由於水流含有鹽分而形成的異重流稱為鹽水異重流。

在河口處,河水密度小於海水,河水在隨潮流進入河口區的鹽水的上層運動並以扇狀向海面散佈，保持相當長的距離形成淡水舌，而海水則侵入河底沿河道上溯，形成成層程度不同的異重流，明顯分層時即為鹽水楔運動 (見河口水流)。水在空氣介質中的流動,因水與空氣的密度相差很大，一般不屬於異重流。

中文異重流一詞最初出現在1947年出版的《水利》雜誌中的《異重流及水庫減淤》一文。1885年F.-A.福雷爾在法國科學院院報撰文,介紹了羅訥河河水進入日內瓦湖底產生分層流的現象和萊茵河流入康斯坦茨湖時,在入口處河水潛入湖底的現象,指出這些現象是由於河水温度較湖水温度低和含有泥沙所造成的。

19世紀末，瑞士學者觀察到渾濁的低温河水潛入湖底形成潛流。20世紀20年代，開始用鹽水代替密度較大的冷水進行水槽實驗和用粘土渾水做水庫異重流實驗，實驗結果指出通過底孔有可能把冷水及渾水排出庫外。1935年，美國米德湖水庫排出渾水，這個現象表明渾水進庫可在庫底持續運行百餘公里，再排出庫外。於是，異重流現象引起有關學科學者的重視。40年代，美國開始在實驗室和水庫進行實驗和觀測。1953年起，中國學者首先在官廳水庫進行觀測，後來在三門峽等水庫進行實驗，並且在室內進行試驗研究，探索利用異重流的規律以排泄泥沙出庫。50年代和60年代，中國先後進行了異重流的觀測、分析和實驗。70年代中國在水庫和河道中觀測到高濃度(含沙量大於200～300千克/米)異重流現象。

異重流的基本方程是以流體力學的基本方程為基礎導出的。現以最簡單的恆定的均勻底層流作為説明。當底層水流受到底部邊界和可 動交界面的剪切阻力和由於密度差而產生的重力作用互相平衡時，沿着底坡即可形成恆定的均勻異重流（圖2）。對於二元水流，平衡方程式為：

(1)

式中△ρ為兩層流體的密度差；d為下層流體的水深；S為河牀坡降；

和

為底部和交界面的剪切應力。設

，a隨着底部和交界面之間最大流速的位置而變化，消去式（1）中的，即得：

(2)如用適用於層流和湍流的摩阻公式來表示，則為：

，式中f為常用的達西-魏斯巴赫摩擦係數（見管流）。由式（2）、（3）得異重流的平均流速為：

式（4）和謝才公式的通用形式完全一致。但要把式（4）中的f改為f（1+a），這是因為增加了交界面的阻力；更為重要的是把g要改為

，這是因為下層流體的有效重力顯著減小的緣故，經過上述修正，許多明槽水流運動公式，都可以應用於異重流。

流速很低的異重流分界面是清晰的。在分界面，流體密度是突變的，而流速則是連續變化的。當兩層流體的相對流速增加時，分界面會形成波浪；當這種流速達到臨界值時，分界面波浪會發生週期性的破碎，開始出現摻混。美國G. H. 科立根於1949年獲得穩定參數或摻混判別式：

對於層流，美國A．T．伊彭和D．R．F．哈勒曼於1952年通過試驗方法確定，水流處於臨界水深，即Fr=1時（見無壓流），就發生摻混。

對於湍流，科立根1949年確定發生摻混的臨界值θ_cr=0.18，根據式（5）計算出的值小於就發生摻混。

應用流體力學的原理和方法探討異重流形成、運動等問題的力學機理和計算方法,最新研究着眼於建立異重流的各種數學模型

通過水槽試驗和模型試驗，不僅可為理論分析提供定量數據，也是解決工程中異重流課題的重要手段，模型律問題是進行異重流實驗的關鍵問題

實地觀測不僅可驗證理論分析與實驗研究的結論，還可為異重流研究不斷提出新的課題。三種方法的結合使下列問題的研究已取得了一定的進展：射流在有密度梯度的介質中的機理、影響交界面阻力的因子、異重流的不恆定運動、河口含鹽渾水在潮汐水流中形成異重流的條件、界面液體交換問題等。

利用異重流特性，在水庫減淤，給水排水工程設計與運用等方面可獲得很大效益。在多沙河流上修建蓄水水庫和水電站時，設置底孔，合理運用在庫底運動的渾水異重流可把泥沙排走,減少水庫淤積,是水庫減淤的主要措施；在給水工程中，根據異重流特性設計沉澱池，有利泥沙落淤，可獲得較好的水質；修建火電廠可利用温差異重流特性，設置較深的取水孔引取冷水，而設置較高的排水孔排放熱水。但在某些情況下，異重流可帶來很大危害。在河口形成的鹽水楔往往阻礙上游來沙的下泄，並把海域泥沙帶入河口，形成含沙量高的滯流區和攔門沙；在與河道交叉的引水渠或引航道處，渾濁河水可潛入引水渠或引航道,並向渠首內溯,而渠內清水自表層向大河迴流，造成嚴重淤積等。 ^[1] 

幾十年來發表的異重流文獻很多，但還有不少問題需要進一步研究。主要有：①交界面的摻混交換機理。具有不同性質物理量的清渾水、冷熱水、冷熱氣流、含鹽渾水和含鹽清水，它們之間的傳遞機理不同，也影響到交界面的阻力。②不恆定異重流。自然界的異重流大多屬於不恆定流，洪峯期間進入水庫的渾水、河口含泥鹽水形成的楔形底流在潮汐作用下的運動規律都不能忽視慣性力的作用。從發展情況看，數學力學分析和計算，結合室內實驗和野外觀測，都是解決實際問題不可缺少的途徑。

1.錢寧等編著：《異重流》，水利出版社，北京，1957。

2.V．A．範諾尼主編，黃河水利委員會科學研究所、長江水利水電科學研究院等澤：《泥沙工程》，水利出版社，北京，1981。（V. A. Vauoni，ed.，Sedimentation Engineering， Amer.Soc. of Civil Engrs.，New York，1975.