水力模型試驗(yàn)基礎(chǔ)與量測(cè)技術(shù)

1、第10章 水力模型試驗(yàn)基礎(chǔ)與量測(cè)技術(shù)【學(xué) 習(xí) 重 點(diǎn)】1、了解水力模型相似的現(xiàn)象和流動(dòng)相似的3個(gè)特征。2、了解水力學(xué)模型設(shè)計(jì)的相似原理和重力相似準(zhǔn)則、阻力相似準(zhǔn)則，能進(jìn)行模型比尺和對(duì)應(yīng)物理量的計(jì)算。3、了解水力模型試驗(yàn)水位、流速、流量、壓強(qiáng)的基本量測(cè)方法。【內(nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo)】實(shí)際工程中水流現(xiàn)象非常復(fù)雜，僅靠理論分析計(jì)算許多問題無法求解，模型試驗(yàn)是解決復(fù)雜水力學(xué)問題的有效途徑。10.1 相似現(xiàn)象和流動(dòng)相似的特征相似是人們常遇到的概念，即兩個(gè)幾何圖形相似，其對(duì)應(yīng)邊成比例，對(duì)應(yīng)的角相等。流動(dòng)相似具有3個(gè)特征（或滿足3個(gè)條件）：幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似，動(dòng)力相似。其中幾何相似是前提，動(dòng)力相似是保證，目的是

2、實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)相似。10.2相似理論和牛頓相似準(zhǔn)則相似原理是水力學(xué)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)，它是實(shí)現(xiàn)流動(dòng)相似必需遵循的基本關(guān)系和準(zhǔn)則。在滿足幾何相似的前提下，動(dòng)力相似是實(shí)現(xiàn)流動(dòng)相似的必要條件，即要求模型和原型中作用在液體上的各種力都成比例。用數(shù)學(xué)式可以表達(dá)為： （Ne）P=（Ne）M （101）式中牛頓數(shù) 表示某種力與慣性力的比值，F(xiàn)可以是任何種類的力，下標(biāo)p和m分別表示原型和模型的物理量。這就是實(shí)現(xiàn)流動(dòng)動(dòng)力相似的牛頓相似準(zhǔn)則。10.3重力相似準(zhǔn)則和粘滯力相似準(zhǔn)則作用在液體上主要力是重力、慣性力、粘滯阻力和紊動(dòng)阻力?？梢宰C明，要使所有力都滿足相似條件是不可能的，如要同時(shí)滿足重力和粘滯阻力相似，必須L1，模型試

3、驗(yàn)失去意義。在明渠水流上的主要作用力是重力、慣性力和紊動(dòng)阻力，管流層流運(yùn)動(dòng)主要是慣性力和粘滯阻力。因此保證主要作用力相似，忽略次要力的影響，使模型試驗(yàn)的精度滿足工程需要。（1）對(duì)處于阻力平方區(qū)的明渠水流都要求滿足重力相似準(zhǔn)則（即佛汝德相似準(zhǔn)則）和紊動(dòng)阻力相似，其條件為： （Fr）m=（Fr）p （102） （103）式中：n p、n n分別是原型和模型的糙率，L是模型的長(zhǎng)度比尺。根據(jù)（10-2）和（10-3）式，可以導(dǎo)得滿足重力和紊動(dòng)阻力相似的其它物理量的比尺關(guān)系：流速比尺： （104）流量比尺： （105）時(shí)間比尺： （106）作用力比尺： （107）壓強(qiáng)比尺： （108）（2）管道層流運(yùn)動(dòng)

4、的相似通常要求滿足粘滯力相似準(zhǔn)則（雷諾相似準(zhǔn)則），即 （Re）P=（Re）M （109）當(dāng)長(zhǎng)度比尺為L(zhǎng)時(shí)，其它物理量的比尺關(guān)系可以查閱有關(guān)資料。 10.4水力模型設(shè)計(jì)及有關(guān)問題水力模型設(shè)計(jì)除滿足主要力相似，還要考慮場(chǎng)地、供水能力以及其它一些限制條件，來確定模型涉及的各物理量比尺。（1）首先是長(zhǎng)度比尺，模型要能在試驗(yàn)廳里布置，同時(shí)供水能力要滿足最大流量。（2）原型與模型的水流流態(tài)一致。（3）明渠水流的流態(tài)必須一致。（3）紊動(dòng)阻力相似時(shí)，模型水流必須保持在阻力平方區(qū)；（4）表面張力的影響。 10.5水力模型量測(cè)技術(shù)水工模型試驗(yàn)主要量測(cè)水流的水位、壓強(qiáng)、流速流向和流量等水力要素。（1）水位的量測(cè) 水

5、位的量測(cè)通常有以下幾種方法。1）測(cè)壓管，2）水位測(cè)針，3）非恒定水位的跟蹤式水位計(jì)，4）鉭絲水位計(jì)。（2）流速及流向的量測(cè) 1）表面浮子法， 2）畢托管測(cè)流速， 3）旋槳流速儀， （3）流量的量測(cè) 1）量水堰測(cè)量明渠的流量：量水堰的堰上水深H與過堰流量間存在確定的關(guān)系，通過測(cè)量堰頂水頭H而求得流量。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)常用矩形或三角形薄壁堰測(cè)流。量水堰的布置應(yīng)注意下列事項(xiàng)：a、堰高及堰寬的選擇，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)流量確定。堰頂水頭不小于3cm；過最大流量堰高不小于2倍堰頂水頭H來選定堰高。b、堰壁與引槽及來水流方向正交。引槽必須等寬，堰板直立，堰頂水平，堰頂為銳緣（厚度不大于1mm），其斜角與堰背成30°

6、;。c、量水堰水舌下緣設(shè)置通氣孔，保證水舌無貼壁溢流現(xiàn)象。堰下游水位與堰頂高差不小于7cm。量水堰筑在模型的上游，堰頂比水庫最高水位高2040cm左右。d、堰前水流應(yīng)平穩(wěn)無波動(dòng)。引槽前部設(shè)靜水柵，位置距堰板大于10Hmax。e、堰頂水位測(cè)針裝置于堰前34 Hmax處，堰板用銅板或不銹鋼板制做。2）有壓管路的流量量測(cè) a、文丘里管流量計(jì)， b、渦輪流量計(jì)， c、電磁流量計(jì)：（4） 壓強(qiáng)的量測(cè) 1）測(cè)壓管，2）壓力表 【思 考 題】10-1 水力模型流動(dòng)相似具有哪三個(gè)特征？它們之間是什么關(guān)系？ 10-2 弗汝德相似準(zhǔn)則中流速比尺與長(zhǎng)度比尺的關(guān)系是。10-3 舉例說明測(cè)量水流流速、明渠流量和管道內(nèi)流

7、量的方法及其注意事項(xiàng)?！窘?題 指 導(dǎo)】例10-1渠道上設(shè)一平底單孔平板閘門泄流，上游水深H=3m，閘前水流行近流速v0=0.6m/s，閘孔寬度b = 6m，下游為自由出流，閘門開度e =1.0m。按長(zhǎng)度比尺L=10設(shè)計(jì)模型，研究平板閘門的流量系數(shù)，求：（1）模型的尺寸和閘前行進(jìn)流速v0m；（2）若模型上測(cè)得流量為Q m = 81.5 l/s，則原型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的流量為多少？（3）閘門出流的流量系數(shù)為多少？解：（1）模型尺寸設(shè)計(jì)和閘前行進(jìn)流速：閘孔出流主要作用力是重力和紊動(dòng)阻力，所以按重力和紊動(dòng)阻力相似設(shè)計(jì)模型。模型的長(zhǎng)度比尺為L(zhǎng)=10，則模型中的尺寸為上游水深 Hm=H/L=3/10=0.3m ，閘孔寬度 bm=b/L =6/10=0.6m ，閘門開度 em=e/L=1.0/10=0.1m ，重力相似準(zhǔn)則條件下流速比尺 （2）原型流量Q的計(jì)算重力相似準(zhǔn)則條件下的流量比尺 Q = QM×Q= QM× = 0.0815×102.5=25.76 m3/s