水工模型試驗報告

PAGE水工模型試驗報告1水工模型試驗的作用與分類1.1作用水流運動是一種非常復(fù)雜的自然現(xiàn)象，對各種作用力存在的情況和它們發(fā)展的規(guī)律，至今還沒有得到很好的掌握。設(shè)計水利工程時不是用數(shù)學(xué)分析的方法，就是應(yīng)用經(jīng)驗公式。這兩種方法都有一定的局限性。事實上，天然河道中水工建筑物的邊界條件各不相同，而且非常復(fù)雜，須經(jīng)過水工模型試驗的分析研究，方可切合實際；還可以進一步提高理論，指導(dǎo)實踐。因此，可以說水工模型試驗是流體力學(xué)理論和實際水利工程中間的媒介，起到非常重要的作用，一直受到水利工程界的重視。1.2分類由于試驗研究任務(wù)不同，采用不同類型的模型，以滿足不同的需要。當(dāng)研究河道中水利樞紐的總體布置時，就需要將所研究的河段和水工建筑物，按一定的比例縮制成模型進行試驗，這就叫整體模型。至于二元問題，如確定溢流壩面的壓力分布，水流情況和沖刷消能等，一般截取一段制成模型，安裝在玻璃水槽中進行觀測，稱為斷面模型。還有一些水工建筑物兩邊對稱，水流情況也對稱，可以研究一邊來代替整體，這時可以采用半整體模型。進行一般試驗時，只要將原體的三個尺寸按照同一比例縮制，這種模型叫作正態(tài)模型。但有時因為受各種條件的限制，粗糙度或水流流態(tài)等與原體不相似時，就采用豎直和水平方向長度縮尺不同的模型，即為變態(tài)模型。河工模型經(jīng)常采用這種類型。按照試驗研究任務(wù)和性質(zhì)分，有水工建筑物、河道、熱擴散、排污口、潰壩、滑坡、泥石流、潮汐、泥沙以及波浪模型等。2、水工模型試驗理論2.1層流根據(jù)模型設(shè)計的相關(guān)原理，可以推導(dǎo)出以下公式：2.2阻力平方區(qū)的紊流運動2.3重力作用為主的流體運動當(dāng)流體的特性主要決定于重力作用，粘滯力的作用可忽略時該運動也就是在阻力平方區(qū)的紊流，這時阻力與速度的平方成比例，而雷諾數(shù)已超過一定界限，其變化沒有影響。2.4模型糙率按照滿寧公式來規(guī)定C和n的關(guān)系，可以推導(dǎo)出λ與n的關(guān)系為：3水工模型試驗方法3.1水工模型設(shè)計的一般步驟泄水建筑物的模型設(shè)計是綜合考慮模型試驗任務(wù)的需要，（問題性質(zhì)、觀測項目、相似條件等）與試驗室條件可能（槽型水槽、供水能力、量測手段、模型可用材料等）而進行的，以達到技術(shù)上即解決問題，經(jīng)濟上又節(jié)約人力、物力和時間為滿意。模型設(shè)計步驟大致如下：（1）根據(jù)問題性質(zhì)和原型建筑物的規(guī)模與布置情況，決定是采用斷面模型還是整體模型，或者介于兩者之間的半整體模型。（2）根據(jù)原型有關(guān)流量、水位和建筑物形式尺寸等資料，結(jié)合試驗設(shè)備和水流條件，初選模型幾何尺寸。選擇原則是：由此模型比尺決定的模型建筑物是能在試驗室場地、設(shè)備條件下制作安裝的；由此比尺決定的模型最大放水流量是試驗室可以提供的；由此比尺決定的模型最小放水量情況下，仍能保證模型水流處于紊流自動模型區(qū)。（3）根據(jù)原型水流固體邊界的粗糙度以及初定的模型比尺，估計為保證摩阻力相似而提供相應(yīng)模型材料和加工工藝是否可能。如屬可行，既初定出模型材料。（4）根據(jù)試驗要求的觀測項目和試驗室具備的量測手段，估計按初定比尺制作的模型在各種放水的情況下，出現(xiàn)的各個水力要素是否能準(zhǔn)確地測得，同時考慮是否便于在模型個處埋設(shè)相應(yīng)的測壓管和各種傳感器。如屬可行，即作出相應(yīng)的布置方案。（5）經(jīng)過上述考慮以后，模型幾何比尺業(yè)已最終確定，于是可繪制模型設(shè)計祥圖，著手制作，同時計算出各種水力要素比尺。3.2模型試驗的內(nèi)容水工模型試驗就是仿照原實體，按照相似準(zhǔn)則，縮制成模型，根據(jù)其所受的主要作用力，進行試驗研究。如果想了解原體的實際現(xiàn)象和性質(zhì)，或檢查其水力安全性，就可以使模型重演與原體相似的餓自然情況，進行觀測，取得數(shù)據(jù)，然后按照一定的相似準(zhǔn)則，引申與原體，從而作出判斷。水工模型試驗所解決的生產(chǎn)問題包括樞紐的合理布置，水工建筑物的流量系數(shù)，水流作用在建筑物上的壓力及動荷載，上、下游的銜接，消能工的作用，建筑物下游的局部沖刷，包括岸坡保護在內(nèi)的防沖刷措施。專題研究包括水利樞紐合理布置，施工導(dǎo)流截流，水工建筑物消能沖刷，泄洪洞水力學(xué)，紊流邊界層，空化與空蝕，水流脈動與振動，明渠不穩(wěn)定流，地下滲流及環(huán)境流體力學(xué)等方面。3.3模型制作模型設(shè)計工作完成以后，就可進入模型制作階段，必須按照模型比尺精確縮制。模型制造的質(zhì)量對于試驗成果的精度關(guān)系極大。模型材料除易于購置及便于安裝外，應(yīng)能達到模型所要求的精確度和光滑度，模型不得發(fā)生變形和漏水。選擇模型材料主要應(yīng)根據(jù)試驗要求、材料性能、采購方便、價格經(jīng)濟及加工難易等條件綜合考慮。常用的材料有木料、磚、水泥、沙礫、有機玻璃、硬質(zhì)聚氯乙烯、石蠟、金屬材料等。3.4模型的測量（1）規(guī)劃模型范圍和模型邊墻線定線用經(jīng)偉儀、皮尺進行。若以模型的邊墻線作為制膜的控制導(dǎo)線時，其精度要求應(yīng)與整個模型制作精度一致。（2）水平控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)的制定水平控制網(wǎng)布置，視模型形狀、大小而定。若模型是長而窄的，則水平導(dǎo)線應(yīng)沿其中心線布置；若模型較寬，則導(dǎo)線可考慮沿四周邊緣布置；若模型面積較大，除四周的封閉導(dǎo)線外，尚需在主要處加設(shè)支導(dǎo)線。高程控制網(wǎng)由精密水平儀測定。首先在模型附近設(shè)立水準(zhǔn)基點。基點必須牢靠。作為模型參照高程的基準(zhǔn)點高程（相當(dāng)于原體某高程）要適當(dāng)予以確定。如果定的偏高，整個模型將不必要的整體升高，增加了模型工作量；定的偏低，會遇到不易開挖的地面，或影響動床沖深結(jié)果。為便于模型安裝和計算，基準(zhǔn)點高程一般都盡可能不取過多的小數(shù)位。當(dāng)模型面積較大，則根據(jù)需要可在適當(dāng)?shù)攸c加設(shè)輔助水準(zhǔn)基點。（3）模型附屬設(shè)施及測量設(shè)備的布置模型進水設(shè)備、消浪隔柵、前池、下游回水設(shè)備及流量量測設(shè)備等，在模型場地中應(yīng)留有適當(dāng)?shù)奈恢谩M用的電動集中控制，亦應(yīng)規(guī)劃好控制臺及附屬設(shè)備的安裝位置。當(dāng)模型需要進行動床試驗時，應(yīng)預(yù)先制定動床范圍，并在動床部位安裝雙向進、退水管道和閘門，在下游設(shè)沉沙池?？傊?，模型設(shè)計和場地規(guī)劃是統(tǒng)一的。在整個制模過程中要注意到各類工作的平衡進展，不同工作盡可能平行進行，不能平行進行的要有緊密銜接，以求縮短模型制造與安裝時間。3.5測試成果整理試驗過程中，對于試驗的現(xiàn)象和過程應(yīng)進行照相和錄象，記錄每一時刻的流場的變化及流動現(xiàn)象的變化過程，并及時測驗各種水流和泥沙的參數(shù)。對于這些資料要加以整理和分析，以便發(fā)現(xiàn)問題及時予以改進。試驗資料的整理和分析，包括單項資料和綜合資料的整理和分析。單項資料整理是指對某一因素參數(shù)的測驗結(jié)果的整理，這些資料的整理要能反映該因素的特性變化及變化的過程。綜合資料包括整個試驗過程現(xiàn)象的描述和各種因素參數(shù)的