水力學模型試驗

依據水力學相似原理和水流相似準則，比照原型設計製造實物模型，用來觀測水流運動現象和規律的研究方法。

基本介紹

• 中文名：水力學模型試驗
• 外文名：hydraulic model test
• 其他名稱：水力學模型實驗，水力模型試驗

試驗意義

液體流動是一種非常複雜的過程，很多流動規律有待研究。單純用數理分析，在多數情況下難以得出正確結果，而必須依賴於實驗。水力學模型實驗的目的是探索規律，驗證理論，確定係數或常數，進行水力學專題研究，解決生產實際問題。

水力模型試驗研究，包括模型相似理論，模型的規劃、設計和製造，測試系統的布置設計，模型試驗方案優選和試驗測取資料的處理分析，並預見原型工程中可能存在的問題，為工程提供設計需要的數據和改進方案。水力模型試驗能用少量的經費，完善工程設計，並節省建設投資，得到較大的經濟效益。

歷史和發展

1870年左右，弗勞德(W. Froude)進行船舶模型試驗：1885年，雷諾(O．Reynolds)進行摩塞(Mersey)河模型試驗；1898年，恩格斯(H．Engels)首創河工實驗室進行天然河流的模型試驗。20世紀以來，水力模型得到更大發展。在中國較早的有1935年進行的淮河楊莊和三河活動壩模型試驗，以及長江馬當段水道整治模型試驗。1949年後，水力模型試驗在中國得到廣泛的套用，建立了大量的水工試驗室，模型試驗技術也有很大提高和發展。尤其在20世紀後半葉，中國在水電建設和河流整治方面進行了大規模的室內試驗，在設備條件和技術方面有了長足的發展。

模型試驗研究的範圍

在水利建設中，模型試驗套用範圍主要有：①水利樞紐工程及泄水和過水建築物的優選布置；②各類泄水建築物的體型布置，泄流能力，下游消能防沖以及水流運動對建築物的作用力等；③船閘灌泄水系統和升船機的水力學問題；④水電站引水系統和調壓井的非恆定流；⑤潰壩洪水波和水庫滑坡涌波的非恆定流；⑥河床演變與河道整治，取水工程的防沙及排沙措施；⑦河口及港灣航道工程的布置及防浪措施；⑧地下滲流問題；⑨水利工程施工過程中的導流和截流問題等；⑩水輪機和水泵的性能及水流部件的設計；⑧固體和流體的管道輸送；⑥環境水力學（含熱、核電站的冷卻水問題）等。

模型試驗的類型

按研究的對象、任務和試驗方法可分成不同類型：①在研究樞紐布置和各類建築物的相互關係時，需要將整個樞紐包括上下遊河段，縮製成模型進行研究，稱整體模型試驗；②研究某一建築物，稱單項整體模型試驗；③截取一個斷面放在玻璃水槽內進行試驗，稱斷面模型試驗（或一維模型）；④研究建築物及河渠某一部位水流現象，稱局部模型試驗；⑤研究閘門止水等問題，稱局部切片模型試驗等。

模型三個方向的比尺相同的稱正態模型。如所研究水域範圍大，為保證模型內有足夠水深，則須放大垂直比尺，稱為變態模型。模型中河床地形做成固定邊界的為定床模型：如研究河床的沖淤變化，則使用模型沙作成可沖淤的河床稱動床模型。如模型水流中挾帶懸移質的稱為渾水模型，否則稱為清水模型。

此外，還有氣流模型，減壓模型等。

模型的規劃設計

模型設計的限制條件

因模型設計只能模擬主要作用力，為消除和減小由次要作用力影響產生的偏差，要注意下列幾個限制條件：

(1)為保證模型和原體的流態相似，當原型為紊流時，模型中雷諾數雖小於原型，但仍應保證模型流態達到紊流的阻力平方區。

(2)為避免表面張力影響面波的相似，模型表面流速應大於23 cm/s。為保證流速分布和壓強分布的相似，模型最小水深應大於3.0 cm。

(3)在變態模型中，如果變率過大會改變模型中的流態、流速分布和壓強分布，一般變態模型中平面比尺和垂直比尺的變率在1:2~1:10之間。

(4)由於模型和原型的水面都是大氣壓力，如模型邊壁受動力水作用影響而出現負壓，則模型負壓值不能按比尺引伸到原型。比較正確的測定負壓值需將模型放置在減壓箱內進行試驗。

模型的範圍和比尺選擇

根據試驗研究的任務要求和試驗場地、設備、量測方法和測驗精度等條件，綜合考慮、合理選定模型的類型、範圍和比尺。

模型試驗場所

按地點、供水條件和場房設備等可分為室內試驗廳、露天試驗場和工地試驗場所。

(1)室內試驗廳。為了工作不受氣候等自然條件的限制，又有利於使用精密的量測儀器設備，可以建成綜合使用的試驗大廳，布置幾個模型同時進行試驗：也可一個項目設定一個試驗廳。

(2)露天試驗場。進行大型的水利樞紐或河道模型需要較大的場地，往往在露天進行。

(3)工地試驗場所。工程設定專用設備進行試驗研究，常結合利用水利工程大流量、高水頭等有利條件。

模型供水系統

可以分為自流式和循環式兩種：

(1)自流式供水系統。利用閘壩的水位落差引河渠水進入試驗室。自流式供水系統必須就近有可靠水源：有時需要外加人工循環系統進行補充。

(2)循環式供水系統。整個供水系統包括蓄水池、水泵、平水塔、配水管和量水設備，經模型使用後通過回水管槽（含沉沙池）再回到蓄水池，使一定的蓄水量能長期循環使用。

固定和專用設備

(1)二元玻璃水槽。研究二維水流問題的通用設備。水槽兩側為玻璃槽壁，可以直接觀測流態。一般槽寬30~100 cm，流量100~300 L/s，高度1~3 m，槽長包括量水堰、槽和尾門等總長約20~ 30 m。特大型的專用

水槽，如荷蘭代爾夫特(Delft)試驗室的波浪水槽長達250 m，寬5 m，深7 m。

(2)活動水槽。即底坡可以變動的水槽。用以研究糙率、推移質和水力學方面的基本試驗。一般槽寬30~50 cm，高30～60 cm，長10～30 m，流量100 L/s，變坡範圍±10%。

大型的活動陡槽有研究高速水流摻氣的專用陡槽，變坡範圍0°~ 60°，最大流量達200～1000L/s。

(3)專用設備。有高壓箱、減壓箱、水洞以及上面提到的摻氣陡槽等。設備複雜，布置要求嚴格，一般都建造專用設備樓。

模型試驗要求

模型液流和原型水流（即實物水流）之間應當滿足力學相似。力學相似包括幾何相似、運動相似和動力相似。

①幾何相似是原型水流和模型液流相應長度成比例，相應角度相等。

②運動相似是在幾何相似的基礎上，原型和模型的相應點上(如果為非恆流需加上相應時間上)的流速方向相同，大小成同一比例。

③動力相似要求作用在原型和模型上相應力成比例。作用在液體上的力有重力、壓力、粘性力、表面張力等，使這些外力的合力和水流慣性力處於平衡狀態。

設計一個模型由於技術上的限制，不可能同時把所有的外力都考慮，因而只能考慮主要的作用力。①當決定液體流動狀態的主要作用力為重力時，要求原型和模型的慣性力和重力之比相等，即原型和模型的弗勞德數相等。明渠流和波浪運動的主要作用力是重力，模型設計遵循弗勞德模型律。②當決定液流運動狀態的主要作用力為粘性力時，要求原型和模型的慣性力和粘性力之比相等，即原型和模型的雷諾數相等。管流和流體繞流，主要作用力是粘性阻力，模型設計遵循雷諾模型律。但是當雷諾數相當大時，慣性阻力占絕對優勢，水流進入自動模型區，則只要達到幾何相似，不必遵循雷諾模型律，即能實現力學相似。

有了速度比例，結合長度比例和密度比例，即可求出任意參變數（例如力、壓強、流量等）的比例，將實驗結果換算為原型參變數。

水力模型試驗屬物理模型試驗。它與數學模型和現場原型觀測三者互相結合，是進行水力學研究的重要手段。