泥沙运动的动理学理论 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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钟德钰，王光谦，吴保生 著

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• 泥沙运动
• 水动力学
• 河流动力学
• 侵蚀
• 沉积
• 水文
• 地貌学
• 环境工程
• 土力学
• 海岸工程

出版社： 科学出版社有限责任公司

ISBN：9787030433763

版次：01

商品编码：11790550

包装：精装

开本：32开

出版时间：2015-10-01

页数：228

正文语种：中文

内容简介

本书的作者及其合作者尝试应用以统计力学为基础的动理学理论（KineticTheory）对泥沙运动基本问题开展了系列研究，对典型的泥沙输移现象的力学机制给出了详细阐释，同时也对泥沙运动的统一的数学力学描述做了探索性的工作。具体内容包括：(1)回顾了关于泥沙的沉速、泥沙起动、推移质运动和悬移质运动的经典理论；(2)简要介绍了统计力学和动理学理论中的最基础的概念和理论；(3)对挟沙水流的动理学方程进行了详细推导；(4)基于两相流动理学方程的宏观输运方程的推导和应用。通过以上几方面内容的研究发现，泥沙运动的动理学理论在研究泥沙基本动力学特性时具有独特的优势，能够对挟沙水流运动中的一些特殊现象背后的力学背景给出更合理的解释。

目录

前言
第一章 绪论
1.1 泥沙运动理论研究的范畴
1.2 泥沙运动理论研究的特点
1.3 泥沙运动理论研究存在的困难
1.4 泥沙研究的未来发展趋势
1.4.1 泥沙研究面临的新挑战
1.4.2 泥沙研究的未来发展趋势
参考文献

第二章 泥沙运动的经典理论研究概述
2.1 水流的流动
2.2 泥沙的沉降
2.3 床沙的起动
2.4 推移质泥沙的输移
2.5 悬移质泥沙的输移
参考文献

第三章 统计力学基础
3.1 描述物质运动的三个层次
3.2 微观状态与宏观过程的统计联系
3.2.1 概率的基本概念
3.2.2 系综的基本概念
3.3 统计分布函数的演化
3.3.1 颗粒的微观状态
3.3.2 Liouvme方程
参考文献

第四章 两相流的动理学方程
4.1 两相流微观动力学量的系综
4.1.1 两相流的示性函数
4.1.2 颗粒及颗粒所见流体物理属性的系综
4.2 两相流的动理学方程
4.3 颗粒间的相互作用
4.3.1 颗粒相互作用的统计力学描述
4.3.2 颗粒间的二体相互作用
4.4 颗粒速度分布函数的近似解
参考文献

第五章 挟沙水流的动力学方程
5.1 两相流动力学方程的一般形式
5.1.1 质量守恒方程
5.1.2 动量守恒方程
5.2 液相和固相上作用力的系综
5.2.1 一个重要积分
5.2.2 液相上作用力的系综
5.2.3 固相上作用力的系综
5.3 挟沙水流的守恒方程
5.3.1 挟沙水流相问作用力的一般形式
5.3.2 守恒方程的质量加权平均形式
参考文献

第六章 挟沙水流的两相浑水模型
6.1 挟沙水流的两相浑水方程
6.2 弥散速度的本构关系
6.3 弥散速度本构方程与其他理论的比较
6.3.1 经典扩散理论
6.3.2 Hunt的修正扩散模型
6.3.3 Wu和Wang的两相扩散模型
6.3.4 Ishii和Hibiki的漂移一通量模型
参考文献

第七章 明渠挟沙水流的速度分布
7.1 挟沙水流速度分布的两相浑水方程
7.2 明渠挟沙水流速度的垂线分布
7.2.1 两相浑水方程的紊流封闭
7.2.2 明渠挟沙水流速度垂线分布的规律
7.2.3 颗粒惯性对浑水速度分布的影响
7.3 明渠挟沙水流中泥沙速度的垂线分布
7.3.1 基于动理学理论的泥沙速度分布
7.3.2 基于两相浑水方程的泥沙速度分布
参考文献

第八章 床面泥沙通量与平衡浓度
8-1床面泥沙通量的概念
8.2 床面泥沙通量
8.2.1 床面泥沙通量的动理学描述
8.2.2 床面附近运动泥沙的速度分布函数
8.2.3 床面泥沙通量函数
8.2.4 理论与实验的比较
8.3 床面泥沙平衡浓度
8.3.1 床面泥沙平衡浓度的动理学描述
8.3.2 理论与实验的比较
8.4 颗粒碰撞的影响
参考文献

第九章 推移质泥沙的输移
9.1 推移质泥沙的输移特征
9.2 推移质输沙函数
9.3 理论与实验及其他公式的比较
9.4 推移质层颗粒的浓度分布
9.5 颗粒碰撞的影响
参考文献

第十章 悬移质泥沙的输移
10.1 悬移质泥沙的弥散方程
10.2 悬移质泥沙浓度的垂线分布
10.2.1 悬移质浓度垂线分布公式
10.2.2 悬移质浓度垂线分布公式验证
10.3 泥沙的悬浮机理
10.3.1 影响颗粒悬浮的因素及作用机制
10.3.2 颗粒受力与宏观浓度分布规律之间的关系
10.4 颗粒惯性对泥沙悬浮的影响
10.4.1 惯性对扩散的影响
10.4.2 惯性对弥散的影响
10.4.3 惯性对通量的影响
10.5 扩散理论的适用条件
参考文献
附录常用符号表
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精彩书摘

　　《泥沙运动的动理学理论》：
　　（2）社会经济发展带来的工程标准普遍提高及水沙减少等因素仅仅推迟了与泥沙相关的威胁的发生时间，但就长远来看，随着大型骨干水利工程功能的衰退、乃至寿命的终结，一定期限后将会出现整条河流乃至整个流域水利水电工程功能丧失的窘境，这将使我们不得不面对全新形势下的泥沙问题。
　　（3）泥沙运动以及由此产生的河流演变是引起水环境与水生态演化的重要参与者，目前在此领域内的研究尚不能称为成熟与完善，学科交叉中常见的碎片化现象十分明显，而近期的大规模水利水电工程建设导致河流生态与环境受到前所未有的影响，其变化过程及最后的结果要求在传统泥沙研究的基础上开展跨学科交叉研究，以适应当前社会面临的水环境、水生态问题研究需求。
　　1.4.2泥沙研究的未来发展趋势
　　水环境与水生态问题日趋严重，伴随着全球气候变化导致河流演变的不确定性增强、变化幅度变大，加之人类活动影响更为深远，泥沙运动力学研究现状已经不能满足变化环境下河流研究的需求，泥沙研究面临着如下几方面的新课题：
　　（1）针对“有体系，不完整”的问题，细致梳理泥沙运动力学基础研究的发展脉络，对以往因理论研究困难太大而采用经验方法临时性解决的关键问题开展重点研究，从而实现学科理论体系完善、发展均衡的目标。
　　（2）针对“有进展，少突破”的问题，选择有可能取得重大发现或突破的核心问题，广泛借鉴和应用相关学科的最新进展，在若干关键问题上取得实质性突破。
　　（3）针对“广交叉，缺深度”的问题，选择与泥沙运动的动力学过程最为密切的交叉问题深入开展研究，促进泥沙学科新方向的发展，改变目前在与其他学科交叉过程中广泛存在的学科失去自我发展目标，并可能导致泥沙研究碎片化的趋势。
　　……

前言/序言

《湍流边界层中的物质输运与沉积》 本书深入探讨了在湍流边界层中，颗粒物（如泥沙）的运动、输运以及最终沉积过程的复杂动力学。我们聚焦于流体动力学与颗粒动力学之间的相互作用，旨在揭示影响物质输运效率和沉积模式的关键因素。 第一部分：湍流边界层的基本理论与模型 湍流的统计特性： 本部分首先回顾和梳理了湍流边界层的基本概念，包括速度脉动、湍动能、耗散率、剪切应力等关键统计量。我们将详细介绍常用的湍流模型，如雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）、大涡模拟（LES）和直接数值模拟（DNS），并分析它们在描述边界层流动特性方面的优缺点。 平均流与脉动流的结构： 重点分析近壁区（粘性底层、缓冲层、对数律区）和自由来流区的速度剖面特性，探讨不同区域湍流尺度的变化及其对颗粒行为的影响。 壁面边界条件： 详细讨论颗粒在壁面附近的运动行为，包括颗粒与壁面的碰撞、反弹、黏附和滑动等过程，以及这些过程如何受到颗粒大小、形状、密度和壁面粗糙度的影响。 第二部分：颗粒的运动动力学与输运机制 颗粒的运动方程： 本部分引入和推导了描述单个颗粒在湍流流场中运动的动力学方程，考虑了惯性力、曳力、布西内斯克力、斯托克斯拖曳力、虚拟质量力、压力梯度力和马兰戈尼效应等多种作用力。我们将对这些力的相对重要性在不同颗粒尺度和流速条件下进行分析。 颗粒的轨迹与扩散： 采用数值模拟和实验观测相结合的方式，研究颗粒在湍流场中的随机运动和集体扩散行为。我们将分析颗粒的滞后性（即颗粒对流场变化的响应速度）如何影响其在湍流中的扩散系数，以及湍流涡结构对颗粒聚类和分散的影响。 颗粒的沉降与提升： 探讨颗粒在流体中的沉降过程，分析重力、浮力和流体曳力之间的平衡。同时，重点研究湍流脉动对颗粒沉降速度的影响，以及在特定流场条件下颗粒可能发生的湍流提升现象。 第三部分：物质输运与沉积过程的模拟与分析 欧拉-拉格朗日耦合方法： 介绍将流体场（通常采用欧拉视角）和颗粒场（采用拉格朗日视角）耦合的数值模拟方法。这种方法能够精确地跟踪每个颗粒的运动轨迹，并准确计算颗粒与流体的相互作用。 沉积通量模型： 基于颗粒运动模型和湍流特性，推导和建立描述物质在壁面附近输运和沉积的通量模型。我们将分析沉积通量与流速、挟沙量、颗粒特性以及壁面粗糙度等因素之间的关系。 沉积与冲刷的判据： 探讨决定物质在壁面沉积或被冲刷的判据，包括临界起动速度、临界输运速度等。分析这些判据如何受到流体动力学参数和颗粒物理特性的影响。 复杂地形上的物质输运： 扩展研究范围，分析在具有一定粗糙度、坡度或其他复杂地形条件下，物质输运和沉积的特点。例如，在河床、海岸线或管道内壁等实际场景中的应用。 第四部分：实验技术与观测方法 流场测量技术： 介绍和回顾用于测量湍流边界层流场的技术，如粒子图像测速（PIV）、激光多普勒测速（LDV）、热线风速仪等，以及它们在研究湍流结构和颗粒运动中的应用。 颗粒输运与浓度测量： 详细介绍用于测量颗粒浓度、粒径分布和输运速率的实验设备和方法，如光学颗粒图像分析（OPC）、声学多普勒粒子分析仪（ADV）等。 可视化技术： 强调可视化在理解复杂现象中的作用，介绍用于观察颗粒在湍流中运动和沉积过程的可视化技术，如高分辨率摄像机、荧光示踪技术等。 第五部分：应用与展望 实际应用领域： 本书的理论和方法可应用于多种实际工程领域，包括但不限于： 水力学与河流工程： 河床演变、泥石流预测、堤坝侵蚀、港口淤积等。 海洋工程： 海岸侵蚀、海底沉积物输运、海上平台基座冲刷等。 管道输运： 固液两相流在管道内的输运、结垢与磨损等。 大气科学： 粉尘输运、沙尘暴形成与扩散等。 工业过程： 反应器内的颗粒混合与沉降、过滤技术等。 未来研究方向： 对当前研究的局限性进行讨论，并提出未来研究的可能方向，例如： 考虑更广泛颗粒特性（如形状不规则、多颗粒相互作用）对输运的影响。 发展更精确、更高效的数值模拟方法。 结合机器学习和人工智能技术，构建更优的预测模型。 研究颗粒输运在更复杂流变特性流体中的表现。 本书旨在为从事流体动力学、泥沙工程、海岸工程、环境工程等领域的研究人员、工程师和学生提供一个全面而深入的理论框架和技术参考，以期更有效地理解和解决实际工程问题中遇到的物质输运与沉积挑战。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本书的第一个感觉是，它可能是一本非常“硬核”的著作。标题中的“动理学理论”就暗示了其科学的严谨性和数学的深度。我一直在寻找能够系统解释泥沙运动的理论，尤其是在工程应用中，对精准的预测能力有很高要求。我希望这本书能够深入剖析泥沙运动中的关键物理过程，例如颗粒的湍流扩散、床沙起动和输移的阈值，以及泥沙在不同水力条件下的沉积特性。书中是否会详细介绍各种输沙模型，并分析它们的优缺点？我特别关注那些能够应用于实际工程场景的模型。例如，在设计水库、渠道或河口工程时，如何利用这些理论来评估泥沙淤积的风险，以及预测其对工程结构的影响？我也想知道，书中是否会探讨泥沙运动的随机性和不确定性，以及如何量化和处理这种不确定性？我希望这本书能够为我提供一套完整、系统的理论工具，帮助我更深入地理解泥沙运动的规律，并将其有效地应用于工程实践中，解决实际问题。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我一种“返璞归真”的感觉。在我接触过的许多研究中，泥沙问题常常被简化为工程参数，比如“含沙量”、“粒径分布”等。但很少有文献能够深入到“为什么”的层面，为什么这些参数会影响泥沙的运动？它背后的物理机制是什么？我希望这本书能够解答这些“为什么”。我期待书中能够详细阐述泥沙颗粒在流体中的受力分析，包括重力、浮力、曳力、升力以及颗粒间的碰撞力等。这些力的平衡和变化，决定了泥沙颗粒的运动状态。我也很想了解，作者是如何建立起这些微观力学模型与宏观输沙率之间的联系的。书中是否会介绍不同的输沙方程，并分析它们的适用范围和局限性？此外，我一直对泥沙的非稳态输运现象很感兴趣，比如当降雨强度突变时，河流的含沙量会急剧变化，这种动态过程是如何被动理学理论解释的？我希望这本书能够提供一个清晰、系统、深入的理论体系，让我能够真正理解泥沙运动的本质。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就透着一股严谨的学术气息，深蓝色配以烫金的标题，给人一种沉甸甸的知识分量感。我拿到它的时候，正值一个连续的阴雨天，窝在书房里，泡上一壶茶，就迫不及待地翻开了。首先映入眼帘的是那些熟悉的、却又经过高度抽象的物理图景：流体在重力作用下蜿蜒前行，裹挟着颗粒物，在河床、海滩，甚至更广阔的地貌上雕刻出千姿百态的痕迹。我想象着，那些看似杂乱无章的泥沙涌动，背后其实隐藏着一套精妙的数学语言，一种能够精确描述其运动规律的理论框架。作者显然在这方面下了极深的功夫，从流体力学的基本原理出发，逐步构建起对泥沙运动的深入解读。我尤其对其中关于颗粒输移的机制分析感兴趣，究竟是怎样的力学作用，使得细小的泥沙颗粒能够被水流卷起、搬运，又在特定的条件下沉积下来，形成我们司空见惯的河岸、三角洲，甚至是更宏伟的地质构造？书中是不是会详细解释颗粒的悬浮、滚动、跳跃等不同输移模式，以及这些模式受哪些因素（如水流速度、颗粒大小、密度、形状，甚至河床的粗糙度）影响？我期待看到具体的数学模型和方程，能够量化地表达这些过程。同时，我也很好奇，这些理论是如何与实际观测数据相结合的，书中是否会引用大量的实地测量数据来验证理论的有效性？比如，通过监测河流的流速、含沙量，以及河床形态的变化，来检验动理学理论的预测能力。这本书给我的第一印象，就是它不仅仅是一本理论著作，更是一座连接抽象数学世界与生动自然现象的桥梁。

评分☆☆☆☆☆

这本书的厚度和章节设置，预示着它将是一次深刻的理论探索。我一直对环境变化和其对自然系统的影响很感兴趣。泥沙运动，作为水文地质和地貌演变的重要组成部分，其规律的变化，往往是环境变化的指示器。我希望这本书能够提供一套能够预测泥沙运动对环境影响的理论框架。例如，当气候变化导致降雨模式改变时，河流的含沙量会如何变化？这种变化又会对河岸侵蚀、水库淤积以及下游水生态系统产生怎样的影响？书中是否会涉及泥沙运动的长期演变趋势？例如，在冰期和间冰期，泥沙的输运和沉积模式会有何不同？我对于“泥沙动力学模型”的构建过程很感兴趣，作者是如何将各种物理参数纳入模型，并进行参数化的？书中是否会提供一些关于模型验证的案例研究，用以说明理论的有效性？我希望这本书能够帮助我理解泥沙运动在更广阔的时空尺度上的演变规律，并为应对环境变化提供科学的支持。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本书时，立刻被它所呈现的跨学科性所吸引。虽然标题指向“动理学理论”，但我知道泥沙运动的研究必然牵涉到多个学科领域。我是一名地质学的研究者，对于河谷的形成、三角洲的发育等宏观地貌演变过程一直充满好奇。我想象着，这本书中的理论，是否能够为我们理解这些地质现象提供一个微观的视角？例如，河流搬运泥沙的能力是如何影响河谷的宽度和深度的？三角洲的形成过程，是否可以通过泥沙的沉积动力学来解释？书中是否会涉及泥沙的长期输运过程，比如跨越千里的大河流域，泥沙是如何从源头一路搬运到入海口的？我尤其想知道，书中是如何处理泥沙在不同地质环境中的运动特征的？比如，在高原地区，泥沙的运动会受到哪些独特因素的影响？在平原地区，又有哪些特点？我希望这本书能够提供一个全面的理论框架，将微观的颗粒运动与宏观的地质过程联系起来，让我们能够更深刻地理解地球表面形态的演变。

评分☆☆☆☆☆

在我看来，一本好的学术著作，不仅仅在于其理论的严谨性，更在于它能够引发读者的思考，并启发新的研究方向。我一直对流固耦合问题很感兴趣，而泥沙运动无疑是其中一个典型的例子。我期待这本书能够深入探讨流体与固体颗粒之间的相互作用机制。例如，泥沙颗粒的形状、粗糙度等非理想因素，是如何影响它们与流体的相互作用的？书中是否会涉及到“颗粒接触动力学”？当泥沙颗粒密集堆积时，它们之间的碰撞和摩擦会产生怎样的效应？我好奇作者是如何将这些微观的颗粒间相互作用，纳入到宏观的流沙模型中的。此外，我也想知道，书中是否会讨论泥沙的“非牛顿流体”性质？在某些高浓度泥沙流体中，泥沙颗粒的堆积会改变流体的粘度和流动特性，这种现象是如何被动理学理论捕捉到的？我希望这本书能够提供一个更全面的视角，让我理解流固耦合的复杂性，并为我未来的研究提供新的思路。

评分☆☆☆☆☆

我之所以对这本书感兴趣，很大程度上是因为我近年来在做一些关于海岸带防护的研究。在处理海浪与泥沙相互作用的问题时，我常常感到理论上的不足。现有的一些模型，虽然能够提供一定的指导，但在解释某些现象时总显得力不从心。我希望这本书能够提供更深入、更本质的理解。例如，海浪在近岸区域的破碎和涌浪，是如何影响海底泥沙的运动的？是否存在一种统一的理论，能够描述不同波浪条件下的泥沙输移和沉积过程？书中是否会详细介绍海滩侵蚀和堆积的动力学机制？它会涉及哪些关键的无量纲数，例如弗劳德数、雷诺数等，它们在描述泥沙运动中的作用是什么？我特别期待看到书中关于“临界起动速度”的讨论，这个概念对于理解泥沙的输移阈值至关重要。同时，我也想知道，书中是如何处理泥沙的非均匀性和变异性的？海滩上的泥沙往往不是单一粒径的，成分也可能很复杂，这些因素对动理学模型有何影响？我希望这本书能为我提供更扎实的理论基础，帮助我更好地理解和预测海岸带的泥沙动力学过程，从而为防护工程提供更科学的依据。

评分☆☆☆☆☆

这本书，对我来说，更像是一次深入的学术探险。我一直对自然界中那些宏伟的地貌形成过程感到着迷，尤其是河流、湖泊和海洋边缘的那些动态景观。泥沙的运动，正是塑造这些景观最根本的力量之一。我很好奇，作者是如何从基础的物理原理出发，一步步构建起一个能够解释如此复杂现象的理论体系的。书中是否会涉及能量守恒、动量守恒等基本定律在泥沙运动中的具体体现？比如，水流携带泥沙时，能量是如何转化的？当泥沙沉积时，又发生了什么能量变化？我对那些描述颗粒与流体相互作用的数学模型特别感兴趣，比如阻力、浮力、曳力等，这些力的计算在不同的流态下会有怎样的变化？书中会不会有详细的公式推导过程，帮助我们理解这些模型是如何得出的？另外，我一直对泥沙的非线性行为感到好奇。在某些情况下，微小的扰动可能会导致巨大的变化，例如溃坝、滑坡等灾害，这是否也与泥沙运动的动理学理论有关？书中会不会触及这些极端情况的动力学机制？我希望这本书能够提供一个系统性的框架，让我们能够理解从细微的颗粒运动到宏大的地貌演变之间的联系，并从中看到科学理论的魅力所在。

评分☆☆☆☆☆

从这本书的标题，我联想到它可能是一本极具挑战性的著作。我对那些能够用数学语言精确描述自然现象的理论非常着迷。泥沙运动，作为一种普遍存在的、但又极其复杂的流体与颗粒相互作用的现象，一直让我觉得是科学研究的绝佳领域。我很好奇，作者是如何将复杂的流体力学和颗粒动力学原理相结合，来构建这个“动理学理论”的。书中是否会涉及到“湍流扩散理论”在泥沙输运中的应用？比如，湍流中的涡旋是如何影响泥沙颗粒的悬浮和混合的？我期待书中能够提供关于颗粒在湍流流场中运动轨迹的模拟结果，以及对这些轨迹的统计分析。同时，我也想知道，作者是如何处理泥沙的“沉积”过程的？沉积不仅仅是颗粒的简单沉降，还涉及到颗粒间的堆积、孔隙度的变化等复杂过程，这是否也在动理学理论的范畴之内？这本书是否会提供一种方法，能够预测泥沙在不同河道、湖泊或海洋中的沉积速率和空间分布？我希望这本书能够带领我进入一个更深层次的理论世界，理解泥沙运动的内在规律。

评分☆☆☆☆☆

我拿到这本书的时候，其实是抱着一种“试试看”的心态。我平时的工作和水利工程有些关联，经常会遇到关于河道治理、泥沙淤积等方面的问题，也了解一些相关的工程技术。但对于泥沙运动的背后原理，我总是觉得有些模糊，停留在一些比较宏观的认识上。这本书的标题——“泥沙运动的动理学理论”——听起来就很专业，让我有些犹豫。但当我翻开第一页，看到那些详细的图表和公式时，我知道我找到了一本能够解答我心中疑惑的宝藏。它不像一些科普读物那样浅尝辄止，而是深入到每一个细节，从微观的颗粒相互作用，到宏观的河床演变，都有条理地进行阐述。我特别想知道，书中是如何处理不同尺度的泥沙颗粒的？细沙、粗沙、卵石，它们的运动规律一定有很大的差异吧？作者是如何用统一的理论框架来解释这些差异的？是不是会涉及到边界层理论、湍流模型，以及能量耗散等概念？还有，关于泥沙的非均匀性，比如颗粒的大小分布、形状不规则性，这些因素在动理学模型中是如何被考虑进去的？我总是觉得，真实的泥沙远比模型中的理想颗粒复杂得多，如何处理这种复杂性，是理论能否贴近实际的关键。我期待书中能有对这些问题的深刻剖析，以及对现有理论的批判性反思，指出其局限性和未来研究的方向。