水工模型實驗方法及程序

(1)模型的規(guī)劃設計和制作。按所研究問題的性質(zhì)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、塑料等材料或制品制作模型。

(2)布置測試系統(tǒng)。按照模型試驗要求,在預定區(qū)域或斷面上布置測點,設置量測水位、流速、流量、壓強、流態(tài)、地形的儀器設備,并取得原始測讀數(shù)據(jù)。

(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(tài),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(jīng)驗及科研成果,對模型進行修改,逐步優(yōu)化。最后對選定方案進行總結(jié)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(tǒng)、專用設備和測量儀器等。

(1)試驗場所有:①室內(nèi)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(xiàn)場試驗場所,可利用工程現(xiàn)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(xiàn)場進行工程的導流截流試驗。

(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室,試驗后的尾水不再重復利用。②循環(huán)式供水系統(tǒng)包括蓄水池、平水塔、配水管、量水設備、回水管(槽)、沉沙池、水泵等,模型試驗用水循環(huán)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(zhì)、高速水流摻氣等問題。③高水箱,用于進行泄洪洞、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(huán)水洞、文丘里管等。

(4)量測儀器,有測針、測壓管、測壓計、畢托管、文丘里流量計、量水堰、自動水位儀、壓力自動巡回檢測儀、電磁流量計、測速儀(光電式、旋槳式、熱線熱膜式、激光式)、水下地形測量儀(電阻式、光電式及超聲波式)、脈動壓力傳感器、摻氣濃度儀、振動加速度儀、位移計等。多數(shù)儀器要經(jīng)過率定,保證試驗所要求的精度。目前已開發(fā)出用微機對試驗進行自動控制及對量測數(shù)據(jù)自動采集和處理的系統(tǒng)。

(1)按模型的范圍分有整體模型、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,主要應用于水利、水電樞紐布置設計方案的驗證、優(yōu)選和優(yōu)化試驗,泄水建筑物上、下游水流銜接、消能防沖、防淤的試驗,過壩建筑物上、下游引航道水流條件的試驗等。整體模型采用的比尺一般為1:50～1:150。單項整體模型模擬單項水工建筑物的水流,主要應用于各類泄水建筑物、水電站進水口、引水建筑物等的體型布置、過流能力、水流條件、消能效率等的試驗,調(diào)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行試驗。主要應用于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(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模型中有一定水深,主要用于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(tài)、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,后者又稱為泥沙模型試驗,可應用于河道、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,適用于多數(shù)水工模型試驗。減壓模型試驗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)進行試驗,適用于空化試驗。

(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筑物下游地形的沖淤變化。

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(shù)得到更大的發(fā)展,各國建立了許多著名的水工試驗室,如法國的夏都(Chatu)、荷蘭的臺爾夫特(Delft)、美國的陸軍工程兵團水道試驗站(Waterway Experimental Station)、前蘇聯(lián)的全蘇水工研究院(ВНИИГ)等。中國第一座水工試驗所于1935年在天津建成,同年籌建了南京中央水工實驗所。1949年以后,隨著水利水電建設的發(fā)展,在中國各大科研院所、流域機構(gòu)、水利水電勘測設計院、高等院校都相繼建立了水工試驗室。