水流阻力：粘滞性、机械能转化与数值模拟

水流中的肤面摩擦来源于剪切阻力，而剪切阻力起源于流体的粘滞性，在层流中粘滞性的实质是由分子热运动引起的动量交换，在紊流中则是由分子热运动和流体紊动两者引起的动量交换总和。流体的粘滞性使得任何流速梯度都会导致流动阻力的产生。粘滞性又决定了固壁上的无滑动条件，也就是流场中固壁的存在必然导致流速梯度的存在，引起流动阻力。粘滞性还决定了紊动涡旋由大到小的能量传递不可能无限地进行下去，紊动涡旋尺度（Δx）小到一定程度后，分子粘滞性应力μΔu/Δx将大到足以使运动完全停止，也就是紊动能量完全耗尽。明渠流动的紊动能量来自于时均流动的机械能，因而紊动能量的消耗就是时均能量的减少。一个河段中水流流动阻力的实质，就是部分时均机械能转化为紊动能量而耗散。

在动床条件下，起源于流动边界上的边壁粗糙和肤面摩擦的阻力，直接与推移质颗粒运动和沙波消长有关，称之为“沙粒阻力”；天然河流的不规则边界形状（乱石、浅滩）和床面形态导致的压差则产生“沙波阻力”。冲积河流动床阻力研究中的一个重要课题，就是按照紊动的不同起源对阻力进行划分。

冲积河流阻力，也就是水流时均能量的减少和紊动能量的增加，是由流动中不同的原因引起的，对阻力进行划分、分解，有助于更准确、严格地对各阻力成分进行分析、表达和计算。决定河床阻力的因素很多，主要包括河槽的沿程阻力和河势或边界突变引起的局部阻力，其中河槽阻力取决于河床表面状况（床沙组成及床面形态）、岸壁状况以及水温变化引起的阻力变化等。在某些河流（如黄河）上，有时要根据具体情况分析冰凌作用、险工阻力对综合阻力的影响。冲积河流阻力一般可作如下划分。(www.xing528.com)

其中，对河流中不多见的形态特征（巨礁、小岛等），由于它们造成的大尺度紊动在特征上各不相同，可按局部阻力分别计算。如果某相同的形态特征在河道中连续出现，在河道水流中形成了一种连续、均匀、稳定的紊动特征，即可按沿程阻力计算。实际上，冲积河流的形态、流态等沿程都是不断变化的，所谓“均匀、稳定的紊动特征”只是针对一定的时段内、一定长度的河段在特定水流流态、泥沙颗粒组成条件下近似而言的。

沿程阻力对应于小尺度紊动，它具有近似各向同性、紊动生成和耗散就地平衡的性质，而局部阻力则与大尺度紊动有关，通常为各向异性。一般情况下，河流中的特殊形态特征所造成的各向异性大尺度紊动，遵循已知的力学规律（如流体力学方程组）。如果所研究的河段不长、时段也较短，则可通过二维或三维数值计算对流动进行模拟来求解这类大尺度紊动所引起的阻力，如巨礁、桥墩所引起的水位、流速变化等，而把沿程阻力概化到各网格中去用糙率表示，这种方法与求解紊流的大涡模拟法在基本思路上有某种类似之处。若考虑的时段和河段较长（数千公里、数十年），限于目前的计算机水平，仍需用一维模型计算，则特殊河道形态特征所造成的局部阻力也需近似表达为沿程糙率值。