水力学模型试验

水力学模型实验

依据水力学相似原理和水流相似准则，比照原型设计制造实物模型，用来观测水流运动现象和规律的研究方法。

试验意义

液体流动是一种非常复杂的过程，很多流动规律有待研究。单纯用数理分析，在多数情况下难以得出正确结果，而必须依赖于实验。水力学模型实验的目的是探索规律，验证理论，确定系数或常数，进行水力学专题研究，解决生产实际问题。

水力模型试验研究，包括模型相似理论，模型的规划、设计和制造，测试系统的布置设计，模型试验方案优选和试验测取资料的处理分析，并预见原型工程中可能存在的问题，为工程提供设计需要的数据和改进方案。水力模型试验能用少量的经费，完善工程设计，并节省建设投资，得到较大的经济效益。

历史和发展

1870年左右，弗劳德(W. Froude)进行船舶模型试验：1885年，雷诺(O．Reynolds)进行摩塞(Mersey)河模型试验；1898年，恩格斯(H．Engels)首创河工实验室进行天然河流的模型试验。20世纪以来，水力模型得到更大发展。在中国较早的有1935年进行的淮河杨庄和三河活动坝模型试验，以及长江马当段水道整治模型试验。1949年后，水力模型试验在中国得到广泛的应用，建立了大量的水工试验室，模型试验技术也有很大提高和发展。尤其在20世纪后半叶，中国在水电建设和河流整治方面进行了大规模的室内试验，在设备条件和技术方面有了长足的发展。

模型试验研究的范围

在水利建设中，模型试验应用范围主要有：①水利枢纽工程及泄水和过水建筑物的优选布置；②各类泄水建筑物的体型布置，泄流能力，下游消能防冲以及水流运动对建筑物的作用力等；③船闸灌泄水系统和升船机的水力学问题；④水电站引水系统和调压井的非恒定流；⑤溃坝洪水波和水库滑坡涌波的非恒定流；⑥河床演变与河道整治，取水工程的防沙及排沙措施；⑦河口及港湾航道工程的布置及防浪措施；⑧地下渗流问题；⑨水利工程施工过程中的导流和截流问题等；⑩水轮机和水泵的性能及水流部件的设计；⑧固体和流体的管道输送；⑥环境水力学（含热、核电站的冷却水问题）等。

模型试验的类型

按研究的对象、任务和试验方法可分成不同类型：①在研究枢纽布置和各类建筑物的相互关系时，需要将整个枢纽包括上下游河段，缩制成模型进行研究，称整体模型试验；②研究某一建筑物，称单项整体模型试验；③截取一个断面放在玻璃水槽内进行试验，称断面模型试验（或一维模型）；④研究建筑物及河渠某一部位水流现象，称局部模型试验；⑤研究闸门止水等问题，称局部切片模型试验等。

模型三个方向的比尺相同的称正态模型。如所研究水域范围大，为保证模型内有足够水深，则须放大垂直比尺，称为变态模型。模型中河床地形做成固定边界的为定床模型：如研究河床的冲淤变化，则使用模型沙作成可冲淤的河床称动床模型。如模型水流中挟带悬移质的称为浑水模型，否则称为清水模型。

此外，还有气流模型，减压模型等。

模型的规划设计

模型设计的限制条件

因模型设计只能模拟主要作用力，为消除和减小由次要作用力影响产生的偏差，要注意下列几个限制条件：

(1)为保证模型和原体的流态相似，当原型为紊流时，模型中雷诺数虽小于原型，但仍应保证模型流态达到紊流的阻力平方区。

(2)为避免表面张力影响面波的相似，模型表面流速应大于23 cm/s。为保证流速分布和压强分布的相似，模型最小水深应大于3.0 cm。

(3)在变态模型中，如果变率过大会改变模型中的流态、流速分布和压强分布，一般变态模型中平面比尺和垂直比尺的变率在1:2~1:10之间。

(4)由于模型和原型的水面都是大气压力，如模型边壁受动力水作用影响而出现负压，则模型负压值不能按比尺引伸到原型。比较正确的测定负压值需将模型放置在减压箱内进行试验。

模型的范围和比尺选择

根据试验研究的任务要求和试验场地、设备、量测方法和测验精度等条件，综合考虑、合理选定模型的类型、范围和比尺。

模型试验场所

按地点、供水条件和场房设备等可分为室内试验厅、露天试验场和工地试验场所。

(1)室内试验厅。为了工作不受气候等自然条件的限制，又有利于使用精密的量测仪器设备，可以建成综合使用的试验大厅，布置几个模型同时进行试验：也可一个项目设置一个试验厅。

(2)露天试验场。进行大型的水利枢纽或河道模型需要较大的场地，往往在露天进行。

(3)工地试验场所。工程设置专用设备进行试验研究，常结合利用水利工程大流量、高水头等有利条件。

模型供水系统

可以分为自流式和循环式两种：

(1)自流式供水系统。利用闸坝的水位落差引河渠水进入试验室。自流式供水系统必须就近有可靠水源：有时需要外加人工循环系统进行补充。

(2)循环式供水系统。整个供水系统包括蓄水池、水泵、平水塔、配水管和量水设备，经模型使用后通过回水管槽（含沉沙池）再回到蓄水池，使一定的蓄水量能长期循环使用。

固定和专用设备

(1)二元玻璃水槽。研究二维水流问题的通用设备。水槽两侧为玻璃槽壁，可以直接观测流态。一般槽宽30~100 cm，流量100~300 L/s，高度1~3 m，槽长包括量水堰、槽和尾门等总长约20~ 30 m。特大型的专用

水槽，如荷兰代尔夫特(Delft)试验室的波浪水槽长达250 m，宽5 m，深7 m。

(2)活动水槽。即底坡可以变动的水槽。用以研究糙率、推移质和水力学方面的基本试验。一般槽宽30~50 cm，高30～60 cm，长10～30 m，流量100 L/s，变坡范围±10%。

大型的活动陡槽有研究高速水流掺气的专用陡槽，变坡范围0°~ 60°，最大流量达200～1000L/s。

(3)专用设备。有高压箱、减压箱、水洞以及上面提到的掺气陡槽等。设备复杂，布置要求严格，一般都建造专用设备楼。

模型试验要求

模型液流和原型水流（即实物水流）之间应当满足力学相似。力学相似包括几何相似、运动相似和动力相似。

①几何相似是原型水流和模型液流相应长度成比例，相应角度相等。

②运动相似是在几何相似的基础上，原型和模型的相应点上(如果为非恒流需加上相应时间上)的流速方向相同，大小成同一比例。

③动力相似要求作用在原型和模型上相应力成比例。作用在液体上的力有重力、压力、粘性力、表面张力等，使这些外力的合力和水流惯性力处于平衡状态。

设计一个模型由于技术上的限制，不可能同时把所有的外力都考虑，因而只能考虑主要的作用力。①当决定液体流动状态的主要作用力为重力时，要求原型和模型的惯性力和重力之比相等，即原型和模型的弗劳德数相等。明渠流和波浪运动的主要作用力是重力，模型设计遵循弗劳德模型律。②当决定液流运动状态的主要作用力为粘性力时，要求原型和模型的惯性力和粘性力之比相等，即原型和模型的雷诺数相等。管流和流体绕流，主要作用力是粘性阻力，模型设计遵循雷诺模型律。但是当雷诺数相当大时，惯性阻力占绝对优势，水流进入自动模型区，则只要达到几何相似，不必遵循雷诺模型律，即能实现力学相似。

有了速度比例，结合长度比例和密度比例，即可求出任意参变量（例如力、压强、流量等）的比例，将实验结果换算为原型参变量。

水力模型试验属物理模型试验。它与数学模型和现场原型观测三者互相结合，是进行水力学研究的重要手段。

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