毕设任务书解读

1.水工模型实验

按比尺缩小的模型中复演与原型相似的水流,进行水工建筑物各种水力学问题研究的实验技术。在制作天然河道或各种水工建筑物的水力学模型时,要按水力相似准则进行模拟。这些相似准则一般有重力相似、粘滞力相似、弹性力相似、表面张力相似、压力相似等,而以表述重力相似准则的W.弗劳德(W.Froude)定律最为常用。此外还有空化水流、温差异重流等特殊情况的相似准则(见水力相似原理)。根据水力相似原理,还可将模型中量测到的水力要素换算为原型的水力要素(见水力要素量测)。通过模型试验,可进行工程布置方案的比较,建筑物过流表面的体型优化,下游消能防冲等问题的研究,以解决实际工程问题,并进一步发展水力学理论。

1.1水工模型实验 - 水工模型试验的类型

(1)按模型的范围分有整体模型、单项整体模型和断面模型。整体模型模拟整个水利、水电枢纽及其上、下游邻近河段的全部水流,主要应用于水利、水电枢纽布置设计方案的验证、优选和优化试验,泄水建筑物上、下游水流衔接、消能防冲、防淤的试验,过坝建筑物上、下游引航道水流条件的试验等。整体模型采用的比尺一般为1:50～1:150。单项整体模型模拟单项水工建筑物的水流,主要应用于各类泄水建筑物、水电站进水口、引水建筑物等的体型布置、过流能力、水流条件、消能效率等的试验,调压室波动试验,压力管道的水击模型试验等。单项整体模型的比尺一般采用1:20～1:100。断面模型模拟水工建筑物的一部分水流,可在透明水槽或水管中进行试验。主要应用于过流边界压力及脉动压力试验、二元水跃消能防冲试验等。断面模型的比尺多为1:10～1:50。

(2)按模型水平比尺和垂直比尺是否相同分为正态模型和变态模型。正态模型的水平和垂直比尺相同,为多数水工模型试验所采用。变态模型的水平和垂直比尺不同,以保持大范围水力学模型中有一定水深,主要用于河道或港湾的模型试验。水平和垂直比尺之比称为变率,一般在1:2～1:10之间,如相差过大就可能改变模型中水流的流态、流速和压强分布。

(3)按模型水流是否含沙分为清水模型和浑水模型,后者又称为泥沙模型试验,可应用于河道、水库、沉沙池、上下游引航道的泥沙冲淤试验。

(4)按模型水面所受气压的大小分为常压模型试验和减压模型试验。常压模

型试验的模型水面所受的气压为大气压力,适用于多数水工模型试验。减压模型试验的模型水面所受的气压低于大气压力,气压大小按模型比尺缩小,需将模型放置在减压箱内进行试验,适用于空化试验。

(5)按河床水流边界是否固定分为定床模型试验和动床模型试验。定床模型试验中的水流边界是固定的,不受水流冲淤的影响,而动床模型试验中河床的水流边界由可冲刷材料组成,以研究河床以及泄水建筑物下游地形的冲淤变化。(1)模型的规划设计和制作。按所研究问题的性质和任务,选定模型的类型和比尺,进行模型的设计。在试验场地,用水泥、砂石、木材、钢材、塑料等材料或制品制作模型。

(2)布置测试系统。按照模型试验要求,在预定区域或断面上布置测点,设置量测水位、流速、流量、压强、流态、地形的仪器设备,并取得原始测读数据。(3)进行预备试验。用已有资料验证模型中水流是否与原型相似,必要时对模型进行修正,如进行河道模型试验时,要对河床糙率n值按实测资料验证,以保证其相似性。

(4)进行试验研究。如系工程试验,一般先进行原设计方案的试验,观察水流流态,量测各项水力要素。针对原布置方案的问题,参照已有工程经验及科研成果,对模型进行修改,逐步优化。最后对选定方案进行总结试验。对研究课题则按拟定的试验研究提纲进行。

(5)分析资料,编写报告,提出相应的建议。试验设备及仪器包括试验场所、供水系统、专用设备和测量仪器等。

1.2水工模型实验 - 试验方法及程序

(1)试验场所有:①室内试验厅,一般为综合试验大厅,可布置几个模型同时进行试验。②露天试验场,进行河工、港工及大型水利、水电枢纽的整体模型试验,需要较大的试验流量及场地的模型试验,往往在露天试验场进行。③工程现场试验场所,可利用工程现场大流量、高水头等有利条件进行高速水流问题研究及在施工现场进行工程的导流截流试验。

(2)供水系统,有自流式和循环式两种。①自流式供水系统利用闸、坝、瀑布及渠道的水位落差引水至试验室,试验后的尾水不再重复利用。②循环式供水系统包括蓄水池、平水塔、配水管、量水设备、回水管(槽)、沉沙池、水泵等,模

型试验用水循环使用,见图。

(3)专用设备包括:①试验水槽,如进行二维水流试验的玻璃水槽,进行波浪试验的波浪水槽等。②活动水槽,即底坡可以变动的水槽,用以研究糙率、推移质、高速水流掺气等问题。③高水箱,用于进行泄洪洞、坝身深孔进水口及深水闸门水力学特性、掺气减蚀及振动等的试验研究。④减压箱、循环水洞、文丘里管等。

(4)量测仪器,有测针、测压管、测压计、毕托管、文丘里流量计、量水堰、自动水位仪、压力自动巡回检测仪、电磁流量计、测速仪(光电式、旋桨式、热线热膜式、激光式)、水下地形测量仪(电阻式、光电式及超声波式)、脉动压力传感器、掺气浓度仪、振动加速度仪、位移计等。多数仪器要经过率定,保证试验所要求的精度。目前已开发出用微机对试验进行自动控制及对量测数据自动采集和处理的系统。

2.数值模拟

2.1特性

在计算机上实现一个特定的计算，非常类似于履行一个物理实验。这时分析人员已跳出了数学方程的圈子来对待物理现象的发生，就像做一次物理实验。

数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将其计算结果在荧光屏上显示，可以看到流场的各种细节：如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的压力分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看到激波的运动、涡的生成与传播。总之数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。

2.2数值模拟包含的步骤

首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。牛顿型流体流动的数学模型就是著名的纳维—斯托克斯方程（简称方程）及其相应的定解条件。

数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。由于人们的努力，目前已发展了许多数值计算方法。计算方法不仅包括微分方程