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愛因斯坦,H.A.—“沙波阻力”深鉆研

2017-03-01 07:23
河北水利 2017年12期
關(guān)鍵詞:輸沙床面漩渦

愛因斯坦,H.A.(Hans Albert Ein?stein,1904-1973年),生于瑞士伯爾尼,美籍猶太裔河流泥沙專家。1926年在瑞士蘇黎士大學(xué)獲土木工程畢業(yè)證書,1936年獲瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院科學(xué)博士學(xué)位。

作為一位水利大家,愛因斯坦的主要貢獻和成就在于“沙”,他是泥沙水利學(xué)發(fā)展史上具有開拓意義的泥沙專家:他第一次提出泥沙應(yīng)劃分為床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)的概念,闡明了兩者在直接來源、河床演變中的作用和輸沙率估算上的不同。他首先把阻力和泥沙運動有機地聯(lián)系起來,提出床面阻力由沙粒阻力及沙波阻力兩部分組成,只有前者與推移質(zhì)輸沙率直接有關(guān),并根據(jù)河流實測資料提出了確定沙波阻力的計算方法。愛因斯坦是把隨機過程和力學(xué)分析結(jié)合起來研究推移質(zhì)運動的創(chuàng)始人。他把一顆泥沙在外力作用下產(chǎn)生各種運動狀態(tài)的力學(xué)必然性同水流脈動、大量泥沙顆粒同時存在所產(chǎn)生的隨機性質(zhì)很好地結(jié)合起來。通過試驗,他發(fā)現(xiàn)床沙、推移質(zhì)、懸移質(zhì)之間存在著不斷的交換,并指出這三者之間存在有機的聯(lián)系。

他還通過大量試驗尋找產(chǎn)生“沙波阻力”的原因以及其產(chǎn)生的影響,最后發(fā)現(xiàn):沙波阻力之所以產(chǎn)生,是由于水流沿沙波波峰發(fā)生分離,從而造成迎水背水坡面上壓力的不對稱。他還發(fā)現(xiàn),沙波阻力所產(chǎn)生的紊動主要發(fā)生在水流分離面上,從而所產(chǎn)生的漩渦不如沙粒阻力所產(chǎn)生的漩渦那樣對泥沙運動影響更為直接,但仍對泥沙運動起一定的作用。漩渦的存在使得一部分泥沙從床面被帶起,當(dāng)脫離漩渦時必然會被帶到下游,從而對泥沙輸移起一定作用。另外,沙波的作用不僅在于迎水面和背水面壓力不對稱,還在于產(chǎn)生局部水流的非均勻性,特別是迎水面靠近床面附近水流的加速,這樣就產(chǎn)生了對流應(yīng)力,此對流應(yīng)力可促使推移質(zhì)運動,根據(jù)這一論點,他建立了包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)在內(nèi)的床沙質(zhì)挾沙能力關(guān)系。20世紀50年代,他和協(xié)作者明確提出了近壁層流層的不穩(wěn)定性,指出即使在光滑的周界上,近壁層流層也會受到水流紊動的直接影響。這一認識已為70~80年代發(fā)展起來的猝發(fā)理論所證實。

作為一名美籍猶太裔泥沙專家,他自1938年移居美國后,曾先后在美國農(nóng)業(yè)試驗站、農(nóng)業(yè)部加利福尼亞州理工學(xué)院研究站從事研究工作,并于1947年起任加利福尼亞大學(xué)副教授、教授。在1959年和1960年先后獲得美國土木工程師學(xué)會水力學(xué)研究獎和史蒂文斯獎(最佳討論獎)。

愛因斯坦為后人留下了寶貴的理論資料,他的主要著作有《明渠水流的挾沙能力》,主要論文有《粗糙邊壁上的水動力》、《流體的綜合阻力》、《河道阻力》、《沖瀉質(zhì)輸沙率能用床沙質(zhì)函數(shù)估算嗎?》、《高度不均勻沙的輸送》、《變態(tài)模型的相似律》和《光滑邊壁上的層流附面層》等。

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