水力模型試驗

水力模型實驗，是指根據水動力、泥沙運動相似原理，建立比尺模型，研究港口工程建設中潮流、波浪、泥沙及工程布置問題。根據研究任務不同，水力模型可分為整體模型、斷面及構模型兩大類。

基本介紹

• 中文名：水力模型實驗
• 外文名：hydraulic model test
• 優點：可簡化自然現象等
• 缺點：存在誤差等
• 原理：水流相似原理
• 學科：水力學

簡述

水力模型試驗是一項專門的科學技術，它是根據水流相似原理在按一定的比尺製作的模型中，複製出與原型相似的水流狀態和水流現象，然後將模型中觀測的水流運動要素和流態再按相似準則換算到原型中去。它是人們正確認識水流運動規律的重要途徑之一。

水流運動是一種非常複雜的自然現象，許多水力學問題僅僅依靠理論分析或者利用經驗公式求解都有一定的局限性，通常需要結合水力模型試驗加以解決。水利工程中的水力計算如堰流、閘孔出流、消能等，都是在理論分析的基礎上，通過水力模型試驗進行完善和補充的。實際工程中的許多水力學問題需要套用試驗研究尋求解答，特別對於重要的水工建築物設計，往往要經過水力模型試驗進行驗證才能付諸實施，以確保工程的安全。可以說，水力模型試驗對於水利水電工程的設計、施工和管理運用，都有著十分重要的意義。

在水利工程中，水利樞紐的整體布置方案和樞紐上下游的水流條件以及對通航的影響，需要通過模型試驗進行觀測試驗；預測水庫建成後發生的泥沙淤積、下遊河道的沖刷演變，需要通過模型試驗研究進行預報；在水工建築物設計中，對其過流能力、邊界上的壓力分布以及建築物下游水流的銜接、消能和防護等，需要通過模型試驗進行檢驗和修正；大中型水利樞紐的施工導流方案、截流方案，需要通過模型試驗確定；管理運用中發現的結構物振動、空蝕破壞、下遊河岸的沖刷等，一般也需要通過模型試驗探討其發生的原因和條件，研究改進措施。

當然，水力模型試驗由於受模型設計中不同相似準則要求的矛盾和試驗測試手段的限制，對某些問題的研究還只能給出定性的估計和預測；與採用“數學模型”求解相比，還存在速度慢、投資多等缺點。但是，如今還沒有哪一種方法能夠完全代替水力模型試驗在工程水力學問題研究方法方面所發揮的作用。

原理

在水力學的研究中，從水流的內部機理直至與水流接觸的各種複雜邊界，包括水力機械、水工建築物等方面的設計、施工、運行管理等有關的水流問題，都可套用水力學模型試驗來進行研究。

1．比尺、基本比尺、導出比尺

比尺是指原型與模型對應的物理量之比，比尺的數目與物理量的個數相同。所有的物理量都可用基本物理量的指數乘積來表示。基本比尺是相互獨立的基本物理量的原型與模型之比，基本物理量通常取長度、時間和質量（或力）；導出比尺是指由基本比尺以指數形式的乘積組成的比尺。

2．幾何相似、運動相似和動力相似

如果原型與模型兩個流場的相應點上，所有表征流動狀況的相應物理量存在一定的比例關係，則這兩種流動是力學相似的。要滿足力學相似，必須滿足幾何相似、運動相似和動力相似。

模型類型

水力模型試驗按照研究任務不同，可以採用不同類型的模型。主要分為以下幾種。

(一)按照模型的範圍分類

1．整體模型

包括所研究的整個試驗河段和水工建築物的模型，程的總體布置和河道的整治方案時，常採用整體模型。

還有一些水工建築物兩邊對稱，水流情況也對稱，這種模型習慣上叫半整體模型。叫做整體模型。當研究水利樞紐工這時可以將其中的一半製成模型，

2．斷面模型

從建築物中取出孔或半孔製成模型，安裝在玻璃水槽中進行試驗，這種模型稱為斷面模型。當研究二元水流問題時，例如溢流壩面的壓力分布和沖刷消能等，可採用斷面模型。

(二)按照模型的幾何比尺分類

1．正態模型

將原型的三個空間尺度（長、寬、高）按統一的比尺縮放的模型，叫做正態模型。一般水工建築物模型均採用正態模型。

2．變態模型

因受各種條件限制，例如供水量、試驗場地、模型粗糙度難於實現和水流流態不能滿足時，可採用豎直和水平比尺不同的模型，即變態模型。在進行河道試驗時，由於天然河道的水平尺度比水深大得多。經常採用變態模型。

(三)按照模型的底面是否能夠沖刷分類

1．定床模型

模型的邊界做成固定的，即定床模型。定床模型主要用來研究建築物的過流能力、壓力分布和水流的流態。

水庫模型也可按照修建前的河道地形圖製作定床模型，在定床模型上研究水庫建成後，多種運用條件下的淤積、沖刷的問題。

2．動床模型

若研究水工建築物局部沖刷或河床演變問題，需要用既可衝動。又能在水中沉澱淤積的材料塑造模型，這種模型叫動床模型。常用的動床模型材料有：天然砂、粉煤灰、塑膠沙、滑石粉、粉碎的核桃屑等。

上述分類方法是水力模型試驗最常用的分類方法。除此以外，有時也有按研究任務、性質和試驗採用的介質分類的。例如。把研究水利樞紐和水工建築物的水力學問題的模型，稱為水工模型；研究河道整治和河床演變的，稱為河工模型；研究地下水滲流的，稱為滲流模型等。

水力模型試驗，有時還利用空氣作為介質，來研究水利樞紐的布置、河床演變等問題，這種模型稱為氣流模型。

特點

任何事物都是一分為二的，水力模型試驗也是具有優點和缺點的，一般地說，模型試驗的優點是：

1．可簡化自然現象，自然現象的影響因素複雜而且相互牽連，通過試驗則可抓住主要因素，忽略影響不大的次要因素，從而使複雜問題得到簡化；

2．可重複顯示水力現象，對於同樣的水力現象，在天然情況下出現或重複一次可能要許多年，而在模型實驗中可多次重複進行，便於研究；

3．有些設計條件在天然情況下往往不容易得到，在試驗中則可嚴格按照設計條件進行控制，從而可以尋找設計的合理性和存在的問題；

4．創造一些特定的條件以預示將來的情況（例如百年一遇洪水，千年一遇洪水的情況）和摸索變化的規律。

由於模型試驗與自然條件畢竟不是完全相同的，所以也存在如下一些缺點：

1．不能完全模擬自然條件，只能反映出主要規律，因此必然有誤差；

2．由於模擬理論本身的不完善，使得模型和原型不能完全相似，所以從模型換算到原型有一定的誤差。