水工模型實(shí)驗(yàn)

(1)模型的規(guī)劃設(shè)計(jì)和制作。按所研究問(wèn)題的性質(zhì)和任務(wù),選定模型的類(lèi)型和比尺,進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)場(chǎng)地,用水泥、砂石、木材、鋼材、塑料等材料或制品制作模型。

(2)布置測(cè)試系統(tǒng)。按照模型試驗(yàn)要求,在預(yù)定區(qū)域或斷面上布置測(cè)點(diǎn),設(shè)置量測(cè)水位、流速、流量、壓強(qiáng)、流態(tài)、地形的儀器設(shè)備,并取得原始測(cè)讀數(shù)據(jù)。

(3)進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)。用已有資料驗(yàn)證模型中水流是否與原型相似,必要時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修正,如進(jìn)行河道模型試驗(yàn)時(shí),要對(duì)河床糙率n值按實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證,以保證其相似性。

(4)進(jìn)行試驗(yàn)研究。如系工程試驗(yàn),一般先進(jìn)行原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn),觀察水流流態(tài),量測(cè)各項(xiàng)水力要素。針對(duì)原布置方案的問(wèn)題,參照已有工程經(jīng)驗(yàn)及科研成果,對(duì)模型進(jìn)行修改,逐步優(yōu)化。最后對(duì)選定方案進(jìn)行總結(jié)試驗(yàn)。對(duì)研究課題則按擬定的試驗(yàn)研究提綱進(jìn)行。

(5)分析資料,編寫(xiě)報(bào)告,提出相應(yīng)的建議。試驗(yàn)設(shè)備及儀器 包括試驗(yàn)場(chǎng)所、供水系統(tǒng)、專(zhuān)用設(shè)備和測(cè)量?jī)x器等。

(1)試驗(yàn)場(chǎng)所有:①室內(nèi)試驗(yàn)廳,一般為綜合試驗(yàn)大廳,可布置幾個(gè)模型同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。②露天試驗(yàn)場(chǎng),進(jìn)行河工、港工及大型水利、水電樞紐的整體模型試驗(yàn),需要較大的試驗(yàn)流量及場(chǎng)地的模型試驗(yàn),往往在露天試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行。③工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)所,可利用工程現(xiàn)場(chǎng)大流量、高水頭等有利條件進(jìn)行高速水流問(wèn)題研究及在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工程的導(dǎo)流截流試驗(yàn)。

(2)供水系統(tǒng),有自流式和循環(huán)式兩種。①自流式供水系統(tǒng)利用閘、壩、瀑布及渠道的水位落差引水至試驗(yàn)室,試驗(yàn)后的尾水不再重復(fù)利用。②循環(huán)式供水系統(tǒng)包括蓄水池、平水塔、配水管、量水設(shè)備、回水管(槽)、沉沙池、水泵等,模型試驗(yàn)用水循環(huán)使用,見(jiàn)圖。(3)專(zhuān)用設(shè)備包括:①試驗(yàn)水槽,如進(jìn)行二維水流試驗(yàn)的玻璃水槽,進(jìn)行波浪試驗(yàn)的波浪水槽等。②活動(dòng)水槽,即底坡可以變動(dòng)的水槽,用以研究糙率、推移質(zhì)、高速水流摻氣等問(wèn)題。③高水箱,用于進(jìn)行泄洪洞、壩身深孔進(jìn)水口及深水閘門(mén)水力學(xué)特性、摻氣減蝕及振動(dòng)等的試驗(yàn)研究。④減壓箱、循環(huán)水洞、文丘里管等。

(4)量測(cè)儀器,有測(cè)針、測(cè)壓管、測(cè)壓計(jì)、畢托管、文丘里流量計(jì)、量水堰、自動(dòng)水位儀、壓力自動(dòng)巡回檢測(cè)儀、電磁流量計(jì)、測(cè)速儀(光電式、旋槳式、熱線熱膜式、激光式)、水下地形測(cè)量?jī)x(電阻式、光電式及超聲波式)、脈動(dòng)壓力傳感器、摻氣濃度儀、振動(dòng)加速度儀、位移計(jì)等。多數(shù)儀器要經(jīng)過(guò)率定,保證試驗(yàn)所要求的精度。目前已開(kāi)發(fā)出用微機(jī)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行自動(dòng)控制及對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理的系統(tǒng)。

1870年W.弗勞德(W.Froude)首先按水流相似準(zhǔn)則進(jìn)行了船舶模型試驗(yàn)。1885年O.雷諾(O.Reynolds)利用重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行了河口潮汐模型試驗(yàn)。1898年H.恩格斯(H.Engels)在德國(guó)建立了世界上第一座水工試驗(yàn)室,進(jìn)行了河道模型試驗(yàn)。20世紀(jì)以來(lái),水工模型試驗(yàn)技術(shù)得到更大的發(fā)展,各國(guó)建立了許多著名的水工試驗(yàn)室,如法國(guó)的夏都(Chatu)、荷蘭的臺(tái)爾夫特(Delft)、美國(guó)的陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站(Waterway Experimental Station)、前蘇聯(lián)的全蘇水工研究院(ВНИИГ)等。中國(guó)第一座水工試驗(yàn)所于1935年在天津建成,同年籌建了南京中央水工實(shí)驗(yàn)所。1949年以后,隨著水利水電建設(shè)的發(fā)展,在中國(guó)各大科研院所、流域機(jī)構(gòu)、水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院、高等院校都相繼建立了水工試驗(yàn)室。

(1)按模型的范圍分有整體模型、單項(xiàng)整體模型和斷面模型。整體模型模擬整個(gè)水利、水電樞紐及其上、下游鄰近河段的全部水流,主要應(yīng)用于水利、水電樞紐布置設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證、優(yōu)選和優(yōu)化試驗(yàn),泄水建筑物上、下游水流銜接、消能防沖、防淤的試驗(yàn),過(guò)壩建筑物上、下游引航道水流條件的試驗(yàn)等。整體模型采用的比尺一般為1:50～1:150。單項(xiàng)整體模型模擬單項(xiàng)水工建筑物的水流,主要應(yīng)用于各類(lèi)泄水建筑物、水電站進(jìn)水口、引水建筑物等的體型布置、過(guò)流能力、水流條件、消能效率等的試驗(yàn),調(diào)壓室波動(dòng)試驗(yàn),壓力管道的水擊模型試驗(yàn)等。單項(xiàng)整體模型的比尺一般采用1:20～1:100。斷面模型模擬水工建筑物的一部分水流,可在透明水槽或水管中進(jìn)行試驗(yàn)。主要應(yīng)用于過(guò)流邊界壓力及脈動(dòng)壓力試驗(yàn)、二元水躍消能防沖試驗(yàn)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(tài)模型和變態(tài)模型。正態(tài)模型的水平和垂直比尺相同,為多數(shù)水工模型試驗(yàn)所采用。變態(tài)模型的水平和垂直比尺不同,以保持大范圍水力學(xué)模型中有一定水深,主要用于河道或港灣的模型試驗(yàn)。水平和垂直比尺之比稱(chēng)為變率,一般在1:2～1:10之間,如相差過(guò)大就可能改變模型中水流的流態(tài)、流速和壓強(qiáng)分布。

(3)按模型水流是否含沙分為清水模型和渾水模型,后者又稱(chēng)為泥沙模型試驗(yàn),可應(yīng)用于河道、水庫(kù)、沉沙池、上下游引航道的泥沙沖淤試驗(yàn)。

(4)按模型水面所受氣壓的大小分為常壓模型試驗(yàn)和減壓模型試驗(yàn)。常壓模型試驗(yàn)的模型水面所受的氣壓為大氣壓力,適用于多數(shù)水工模型試驗(yàn)。減壓模型試驗(yàn)的模型水面所受的氣壓低于大氣壓力,氣壓大小按模型比尺縮小,需將模型放置在減壓箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),適用于空化試驗(yàn)。

(5)按河床水流邊界是否固定分為定床模型試驗(yàn)和動(dòng)床模型試驗(yàn)。定床模型試驗(yàn)中的水流邊界是固定的,不受水流沖淤的影響,而動(dòng)床模型試驗(yàn)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筑物下游地形的沖淤變化。