按比尺縮小的模型中復演與原型相似的水流,進行水工建築物各種水力學問題研究的實驗技術。在製作天然河道或各種水工建築物的水力學模型時,要按水力相似準則進行模擬。這些相似準則一般有重力相似、粘滯力相似、彈性力相似、表面張力相似、壓力相似等,而以表述重力相似準則的W.弗勞德(W.Froude)定律最為常用。此外還有空化水流、溫差異重流等特殊情況的相似準則(見水力相似原理)。根據水力相似原理,還可將模型中量測到的水力要素換算為原型的水力要素(見水力要素量測)。通過模型試驗,可進行工程布置方案的比較,建築物過流表面的體型最佳化,下游消能防沖等問題的研究,以解決實際工程問題,並進一步發展水力學理論。
基本介紹
- 中文名：水工模型實驗
- 外文名：Hydraulic model experiments
- 作用：模擬水流
- 套用：水工建築物等
- 分類：整體、單項整體和斷面模型
- 發展：水力學理論
水工模型試驗的類型,試驗方法及程式,發展簡史,
水工模型試驗的類型
(1)按模型的範圍分有整體模型、單項整體模型和斷面模型。整體模型模擬整個水利、水電樞紐及其上、下游鄰近河段的全部水流,主要套用於水利、水電樞紐布置設計方案的驗證、優選和最佳化試驗,泄水建築物上、下游水流銜接、消能防沖、防淤的試驗,過壩建築物上、下游引航道水流條件的試驗等。整體模型採用的比尺一般為1:50～1:150。單項整體模型模擬單項水工建築物的水流,主要套用於各類泄水建築物、水電站進水口、引水建築物等的體型布置、過流能力、水流條件、消能效率等的試驗,調壓室波動試驗,壓力管道的水擊模型試驗等。單項整體模型的比尺一般採用1:20～1:100。斷面模型模擬水工建築物的一部分水流,可在透明水槽或水管中進行試驗。主要套用於過流邊界壓力及脈動壓力試驗、二元水躍消能防沖試驗等。斷面模型的比尺多為1:10～1:50。
(2)按模型水平比尺和垂直比尺是否相同分為正態模型和變態模型。正態模型的水平和垂直比尺相同,為多數水工模型試驗所採用。變態模型的水平和垂直比尺不同,以保持大範圍水力學模型中有一定水深,主要用於河道或港灣的模型試驗。水平和垂直比尺之比稱為變率,一般在1:2～1:10之間,如相差過大就可能改變模型中水流的流態、流速和壓強分布。
(3)按模型水流是否含沙分為清水模型和渾水模型,後者又稱為泥沙模型試驗,可套用於河道、水庫、沉沙池、上下游引航道的泥沙沖淤試驗。
(4)按模型水面所受氣壓的大小分為常壓模型試驗和減壓模型試驗。常壓模型試驗的模型水面所受的氣壓為大氣壓力,適用於多數水工模型試驗。減壓模型試驗的模型水面所受的氣壓低於大氣壓力,氣壓大小按模型比尺縮小,需將模型放置在減壓箱內進行試驗,適用於空化試驗。
(5)按河床水流邊界是否固定分為定床模型試驗和動床模型試驗。定床模型試驗中的水流邊界是固定的,不受水流沖淤的影響,而動床模型試驗中河床的水流邊界由可沖刷材料組成,以研究河床以及泄水建築物下游地形的沖淤變化。
試驗方法及程式
(1)模型的規劃設計和製作。按所研究問題的性質和任務,選定模型的類型和比尺,進行模型的設計。在試驗場地,用水泥、砂石、木材、鋼材、塑膠等材料或製品製作模型。
(2)布置測試系統。按照模型試驗要求,在預定區域或斷面上布置測點,設定量測水位、流速、流量、壓強、流態、地形的儀器設備,並取得原始測讀數據。
(3)進行預備試驗。用已有資料驗證模型中水流是否與原型相似,必要時對模型進行修正,如進行河道模型試驗時,要對河床糙率n值按實測資料驗證,以保證其相似性。
(4)進行試驗研究。如系工程試驗,一般先進行原設計方案的試驗,觀察水流流態,量測各項水力要素。針對原布置方案的問題,參照已有工程經驗及科研成果,對模型進行修改,逐步最佳化。最後對選定方案進行總結試驗。對研究課題則按擬定的試驗研究提綱進行。
(5)分析資料,編寫報告,提出相應的建議。試驗設備及儀器 包括試驗場所、供水系統、專用設備和測量儀器等。
(1)試驗場所有:①室內試驗廳,一般為綜合試驗大廳,可布置幾個模型同時進行試驗。②露天試驗場,進行河工、港工及大型水利、水電樞紐的整體模型試驗,需要較大的試驗流量及場地的模型試驗,往往在露天試驗場進行。③工程現場試驗場所,可利用工程現場大流量、高水頭等有利條件進行高速水流問題研究及在施工現場進行工程的導流截流試驗。
(2)供水系統,有自流式和循環式兩種。①自流式供水系統利用閘、壩、瀑布及渠道的水位落差引水至試驗室,試驗後的尾水不再重複利用。②循環式供水系統包括蓄水池、平水塔、配水管、量水設備、回水管(槽)、沉沙池、水泵等,模型試驗用水循環使用,見圖。(3)專用設備包括:①試驗水槽,如進行二維水流試驗的玻璃水槽,進行波浪試驗的波浪水槽等。②活動水槽,即底坡可以變動的水槽,用以研究糙率、推移質、高速水流摻氣等問題。③高水箱,用於進行泄洪洞、壩身深孔進水口及深水閘門水力學特性、摻氣減蝕及振動等的試驗研究。④減壓箱、循環水洞、文丘里管等。
(4)量測儀器,有測針、測壓管、測壓計、畢託管、文丘里流量計、量水堰、自動水位儀、壓力自動巡迴檢測儀、電磁流量計、測速儀(光電式、旋槳式、熱線熱膜式、雷射式)、水下地形測量儀(電阻式、光電式及超音波式)、脈動壓力感測器、摻氣濃度儀、振動加速度儀、位移計等。多數儀器要經過率定,保證試驗所要求的精度。目前已開發出用微機對試驗進行自動控制及對量測數據自動採集和處理的系統。
發展簡史
1870年W.弗勞德(W.Froude)首先按水流相似準則進行了船舶模型試驗。1885年O.雷諾(O.Reynolds)利用重力相似準則進行了河口潮汐模型試驗。1898年H.恩格斯(H.Engels)在德國建立了世界上第一座水工試驗室,進行了河道模型試驗。20世紀以來,水工模型試驗技術得到更大的發展,各國建立了許多著名的水工試驗室,如法國的夏都(Chatu)、荷蘭的台爾夫特(Delft)、美國的陸軍工程兵團水道試驗站(Waterway Experimental Station)、前蘇聯的全蘇水工研究院(ВНИИГ)等。中國第一座水工試驗所於1935年在天津建成,同年籌建了南京中央水工實驗所。1949年以後,隨著水利水電建設的發展,在中國各大科研院所、流域機構、水利水電勘測設計院、高等院校都相繼建立了水工試驗室。
