河工模型试验的几个问题
第3章 河工模型试验
由此求得模型糙率为： 由此求得模型糙率为： 上游： 上游： 下游： 下游：
nm = 0.0232 ~ 0.0371 nm = 0.0107 ~ 0.0186
坝下游来说，采用水泥沙浆粉面； 坝下游来说，采用水泥沙浆粉面；坝上游采用水泥 沙浆粉面加适当打毛。在基岩出露的局部地方， 沙浆粉面加适当打毛。在基岩出露的局部地方，进行小 范围的梅花加糙。 范围的梅花加糙。
12
3.2 变态定床河工模型
采用变态河工模型的原因
实验场地的限制 水流条件的限制 模型沙选择的限制 实验量测精度和时间的限制
13
3.2 变态定床河工模型
相似条件
满足重力相似
流速比尺：λu = λ 流速比尺：
1/ 2 h
λQ = λl λ3 / 2 h 流量比尺： 流量比尺：
λ n = λ l1 2 λ h− 2 3 重力相似和阻力相似同时满足： 重力相似和阻力相似同时满足：
h uc = k d
y
γs −γ gd γ
γ s――泥沙、水的容重； , γ 泥沙 水的容重； 泥沙、
――泥沙粒径 d 泥沙粒径 得起动流速比尺
λu
c
1 λh 1 2 2 λγ s −γ λd = λu = λ d γ
y
23
推移质运动的相似条件
输沙条件相似
由窦国仁推移质输沙率公式 式中： 式中：
k0 γ s u3 (u − uc′ ) gb = 2 C0 γ s − γ gω
γ
′ 止动流速 u――止动流速，一般取 止动流速， c
g b ――单宽推移质输沙率； 单宽推移质输沙率； 单宽推移质输沙率 k――综合系数，对于全部底沙取为0.1； 综合系数， 0.1； 综合系数 对于全部底沙取为0.1 0
河工模型相似理论及模型技术方法 范嘉炜
河工模型相似理论及模型技术方法范嘉炜（天津大学，天津市，邮编300072）摘要：在平原冲积河流上，因水流的周期性变化使河床的这种变化过程也带有周期性的重复特点，长时期观测是有规律可循的，即有一定相似准则可以模拟，因次分析和相似原理是经常联合使用的，当研究的物理现象复杂，纯理论不足以解决这些复杂现象问题时，不得不借助于模型试验手段，模型试验就有相似问题，意味着模型与原型的无因次量必须相等。
而在现代水利工程中，决定江河的治理方案，主要依赖于河工模型试验.由于我国河流的泥沙问题非常突出，因此尽管对于河工模型试验方法的研究起步较晚，但是近些年随着我国水利事业的发展，有关科研机构及高等院校开展了大量的河工模型试验，因而在河工模型模拟方法这一领域，我国的研究处于世界领先地位。
关键词：河工模型；相似理论；物理模拟；数学模拟中图分类号： 文献标识码：1河工模型相似理论从发展过程来讲，河工模型模拟方法有两个阶段，即最初采用不强调严格遵守比尺的自然模型方法和比尺模型法。
自然模型是定性的，根据模型河床形态凭水流本身去塑造，与原型相似与否的标志主要是模型小河的河床形态及演变过程同原型是否相似，因而具有考虑河型相似的优点；比尺模型方法是以相似论为基础的，可以根据水流及泥沙运动的基本规律寻求相似条件，并由此确定各项比尺。
而今人们大都采用比尺模型方法.要使模型试验能够正确反映实际现象，那么在模型上就要满一下足三个主要条件。
为了较为系统的介绍比尺模型法，笔者首先归纳总结了相似率方面的知识：1.1 河床几何形态相似 原、模型几何比尺是定值，当垂直比尺与水平比尺相同时称(几何)正态模型，反之称(几何)变态模型。
1.2 水流运动相似 无论推移质还是悬移质泥沙，为保证运动与原型相似，都必须满足水流运动相似条件，模型与原型二者所受作用力之比应等于惯性力之比。
以“λ”表示原型与模型比值即比尺时，应遵循无因次数Fr 相同，即gh v Fr /2=相等。
水工与河工模型试验课程设计
水工与河工模型试验课程设计一、背景水工与河工是水利工程专业必修课程之一，其主要目的是让学生了解水流在不同情况下的特性和运动规律，掌握水利工程的基本知识和实践技能。
在学习水工与河工课程时，模型试验是必不可少的一部分，通过模型试验可以更好地理解水利工程的现象和规律。
二、模型试验的作用•理论与实践相结合模型试验是将理论知识与实践操作结合起来的重要方式，在试验过程中，学生能够深入理解理论知识，并且通过实践操作，更好地掌握相关技能，并且加深对理论知识的记忆。
•提高学生的动手实践能力水工与河工课程中需要涉及到很多实际问题，在进行模型试验时，需要学生自行设计实验方案、制作试验装置、搜集相关资料和数据，并进行资料分析和处理，这些都是能够极大地提高学生动手实践能力的过程。
•促进学生团队合作进行模型试验需要学生之间进行团队合作，相互配合，分工合作，达到共同完成实验的目的，这有助于培养学生的团队意识与合作精神。
•对未来研究提供基础模型试验是一个基础性的研究方法，通过模型试验，可以为未来的深入研究提供基础，在研究前需要进行模型试验，对相关问题进行探究和验证，为后续的研究打下基础。
三、课程设计方案1. 实验背景本次课程设计旨在让学生理解水工与河工课程中涉及到的相关现象和规律，通过模型试验，让学生掌握理论知识和实际操作能力。
2. 实验目的•通过实验了解流体力学观测技术；•学习使用实验仪器设备；•了解水流的特性，如流量、速度、压力等；•掌握常见的水工与河工模型试验方法。
3. 实验内容本次模型试验主要是以单孔水闸为研究对象，通过实验让学生掌握流体力学观测技术，实验内容包括：•制作单孔水闸模型装置；•测量水流量、速度和压力等参数；•分析实验数据；•撰写实验报告。
4. 实验步骤步骤一：制作单孔水闸模型装置具体实验步骤如下：1.根据实验要求，制作符合相关要求的单孔水闸模型装置；2.完成水闸连接管道和水泵等设备的设置；3.准备好着手处理数据所需的电路设备并进行连接；4.领取实验所需的相关材料和装备，并将其准备好。
水工及河工模型试验
u u zm u2 u zm u zm u zm u xm u ym u zm t tm l xm ym zm p 1 pm u g g zm 2 m 2u zm l m zm l
2 u u2 u u zm u ym zm zm u xm l zm xm ym
F 1 2 2 l u
F F 2 2 2 2 idem Ne l u P l u m
3.3 水动力现象相似准数的确定方法 例2：三维紊动水流的相似准数
连续性方程:
u x u y u z 0 x y z
运动方程(雷诺方程):
2 u u ux ux u x u x u 1 p xu y 2 x xu z ux uy uz gx ux t x y z x x y z 2 u y u y u y u y u u u u u 1 p ux uy uz gy 2u y y y z y x y t x y z y z x 2 u u u u u z u z u z u z u 1 p z y ux uy uz gz 2 u z z z x t x y z z x y z
r r F F F
F F F F F F
I g D
e
惯 性 力
重 力
粘 滞 力
摩 阻 力
表 面 张 力
弹 性 力
3.2 模型试验相似理论
1 相似第一定理（相似正定理,1686,牛顿）
定理描述：彼此相似的物理体系应由同一方程式描述，各变 量之间保持一定的比例，其相似指标为1或它们的各种相似准 数的数值相等。
河工模型试验中的DPIV技术及其应用
河工模型试验中的DPIV技术及其应用河工模型试验是研究河流水文特性、河流底部和岸边结构力学性能、水力和泥沙运动规律等问题的主要手段之一。
在模型试验中，流场测量是非常关键和复杂的问题。
传统的流场测量方法需要依靠激光光束和热线测量技术，但是这些方法仅仅可以获取流场表面的一些参数，不能真正地反映流场三维结构的特征。
而数字粒子成像测量技术（Digital Particle Image Velocimetry，DPIV）的出现为流场测量带来了新的革命性进展。
DPIV技术原理数字粒子成像技术是一种通过在流体中加入荧光涂层发射出来的浮游颗粒，使用激光即可记录下整个流场的测量方法。
DPIV还可以对测量的视频图像进行处理，获得测量区域的瞬时速度场、涡旋等流体物理量。
这使得它在模型流场实验中变得越发广泛地应用。
应用场合DPIV技术是一种非侵入式的、精确可靠的流场测量技术。
在河工模型试验中，DPIV可以被广泛地应用于研究液体流动行为、测量速度场、涡旋及液体表面压力等流体力学问题。
通过DPIV技术可以获取高时间分辨率和高空间分辨率的高质量流速场数据，为研究流体物理学问题提供了强有力的工具。
DPIV的优势DPIV技术具有以下几个优势：1.非侵入性：DPIV不需要在流场中插入任何物体，因此不会干扰流场。
2.高精度：DPIV技术对流场细节可以进行精确的测量，获取高质量的流速场数据，能够更好地研究流体物理学问题。
3.高时空分辨率：DPIV提供高时空分辨率的测量，可以捕捉到流体运动的瞬时和定量的变化。
它的空间分辨率在数百个微米甚至更高的情况下可以达到亚像素级别。
4.多点测量：DPIV可以同时对测量平面上的数百个位置进行测量，从而获得完整的流速向量场，为研究流体物理问题提供了更全面的信息。
河工模型试验中DPIV技术的应用河工模型试验中，DPIV技术主要应用于以下几个方面：1.水力学试验通过DPIV技术，可以直观地观察到水流流线的形态，瞬时流速和流量特征值的变化。
河工模型实习报告
河工模型实习报告班级：2010级港航一班姓名：__________学号：_____________指导老师：____________二。
一四年六月一实习目的及模型背景 (1)1.1实习的目的和意义 (1)1.2武桥水道物理模型背景 (1)1.2.1模型简介及模型范围 (1)1.2.2河段概况 (1)1.2.3航道问题及整治现状 (2)二模型设计 (3)2.1导墙确定及断面划分 (3)2.2基本原理及约束条件 (3)2.3比尺确定...................................................... .4 2.4模型选沙 (4)三模型制作 (5)3.1内业工作一一断面数据读取 (5)3.2导线放样及模板架设............................................ .6 3.3模型塑造 (6)四模型测控系统.......................................... .74.1控制系统 (7)4.1.1流量控制系统 (7)4.1.2出口水位控制系统 (7)4.2测量手段 (7)4.2.1水位计 (7)4.2.2流速测量 (7)五流速验证 (9)六实习总结............................................. .14实习目的及模型背景1.1实习的目的和意义本次实习内容为定床河工模型设计、制作及验证试验。
通过模拟河段范围及断面的划分、各比尺的确定、断面的读取、模板的架设及模型验证等步骤，初步掌握河工模型设计、制作及试验的基本原理、方法和主要工作流程；了解河工模型试验系统及各附属设备的主要功用。
1.2武桥水道物理模型背景1.2.1模型简介及模型范围模型的范围上起蛤蟆矶，下迄武汉长江二桥，全长约21km。
模型的动床范围上起白沙洲大桥上游，下到汉江河口止，动床范围约10km。
动床河工模型主要研究航道整治工程实施以后汉阳边滩及附近河床的冲淤变化以及局部河势变化，同时还要反映鹦鹉洲长江大桥、杨泗港大桥的影响。
水工模型试验测量技术综述
水工模型试验测量技术综述摘要:水工模型试验是解决工程实际问题，为理论研究和工程设计提供依据的重要手段。
基础数据的准确度与精确度直接关系到试验成果的质量，因此试验中的测量技术非常关键。
流速、流量、水位、压力、地形、泥沙含量等是模型试验中测量的主要数据，本文主要介绍了模型试验中这些数据的测量技术及存在的问题。
关键字:水工模型试验测量方法发展现状问题分析引言水工模型试验是根据相似原理，按照一定的相似比将需要研究的对象，如河流、水工建筑物等按一定比例缩小后，在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，旨在定性或定量的揭示其运动规律或水力学特性，为理论研究和工程设计等提供依据。
自1870年弗劳德(Froude)首先按水流相似准则进行了船舶模型试验以来，随着水利事业的发展，水工模型试验水平在很大程度上有了提高，在理论设计、模型制作、试验测量、数据处理等方面都有了创新突破和发展。
模型试验中的数据测量对试验结果的质量起着至关重要的作用，数据的精确度和准确度直接关系到科研成果的质量。
在水工模型试验中主要需要控制和测量的参数有流速、流量、水位、压力、地形、泥沙等，测量仪器的精度、范围、性能等决定着测量结果的准确性，因而优良的测量技术是模型试验的前提和保障。
近年来随着激光技术、超声波技术、计算机技术及数字图像处理技术等先进技术的发展，模型试验测量技术有了较快的发展，但尚存在一些问题有待进一步研究，本文主要论述模型试验测量技术的发展及现在存在的一些问题。
1.发展现状1.1流速测量技术流体的流速是流场最基本的物理量之一，对流体流动特性的认识很大程度上取决于流场的获得，而大多数描述流场的物理量都直接或间接与流速有关，如环量、涡量、流函数、流速势函数等等。
在模型试验中流速的测量非常重要，随着技术的创新突破，流速的测量技术取得了较快的发展，从单点流速测量发展到多点测量，从单向到多向、从稳态向瞬态发展，从毕托管、旋浆流速仪、热线/热膜流速仪、电磁流速仪、超声波多普勒流速仪（ADV）、激光多普勒流速仪（LDV）、粒子图像测速仪（PIV）发展到VDMS法[1-3]。
河工模型试验规程
河工模型试验规程
河流是支撑生态系统的整体，它的质量非常重要。
为了更好地了解河流的变化情况，开展
河工模型试验可以帮助我们更全面、精准地了解河流的变化，从而制定有效的管理方案。
因此，开展河工模型试验的规程是至关重要的。
首先，实施河工模型试验前必须进行河流分析，以给出详细的地质地貌确定要模拟的河段，分析河谷的深度、宽度、曲率以及河床起伏、旋涡指数等。
其次，实施模型试验之前必须明确相关河段的水位、水流量、污染物浓度等，便于在实施
模型试验时对比，以便确定模拟结果的可靠性。
此外，在实施河工模型试验的过程中，必须遵循模型的设计参数，比如，方程、地形以及
模型的调节参数，以便根据模型模拟出实际河流的变化情况，并作出相应的分析。
最后，在实施河工模型试验的过程中，一定要准确记录试验结果，比如流量、水位等，以
便能够在分析时进行比较，以便验证模拟结果的可靠性。
以上是开展河工模型试验的规程。
如果能正确遵循这些规程，就可以准确、可靠地模拟出
河流的变化情况，从而为河流的管理、建设提供科学依据。
水工(常规)模型试验规程
水工(常规)模型试验规程水工(常规)模型试验是水利水电工程建设的重要环节，通过模拟真实工程情况，在实验室或试验场地进行工程试验，为工程设计、施工提供参考依据。
水工(常规)模型试验规程是规范水工模型试验活动的标准和指导，确保试验结果准确可靠，并且保障试验过程中的安全。
一、试验前准备1.确定试验目的和要求：在制定试验计划前，需明确试验的目的和要求，确定试验的具体内容、试验参数、试验时间等关键因素。
2.选择试验场地和设备：选择合适的试验场地和设备，确保试验过程中设备运行正常、场地条件符合试验要求。
3.确定试验方案和流程：制定试验方案和流程，包括试验的具体步骤、数据采集方案、试验设备的设置、试验过程的控制等内容。
4.制定试验安全措施：确保试验过程中人员的安全，制定相应的安全措施，包括人员防护、设备维护、紧急处理等措施。
二、试验过程1.设备调试和校准：在试验开始前，对试验设备进行调试和校准，确保设备运行正常，数据采集准确可靠。
2.试验数据采集和记录：在试验过程中，及时采集试验数据并进行记录，确保数据的真实性和完整性。
3.试验参数设置和控制：根据试验方案，设置试验参数并进行控制，保证试验过程中的稳定性和可重复性。
4.实时监测和反馈：对试验现场进行实时监测和反馈，及时调整试验参数以确保试验的顺利进行。
5.试验结果分析和评价：对试验结果进行分析和评价，验证试验目的和要求是否达到，为工程设计和施工提供参考依据。
三、试验报告和总结1.编制试验报告：在试验结束后，编制试验报告，包括试验目的、试验方案、试验过程、试验结果、分析和评价等内容。
2.总结经验和教训：总结试验过程中的经验和教训，为今后的试验工作提供参考和改进。
3.提交审核和审批：将试验报告提交给相关主管部门进行审核和审批，确保试验结果的准确性和可信度。
四、安全管理和保障1.严格遵守试验规程：所有参与试验工作的人员必须严格遵守试验规程，不得擅自更改试验方案和操作程序。
河工模型试验PPT课件
精品课件
1
第3章 河工模型试验
3.1 正态定床河工模型 3.2 变态定床河工模型 3.3 动床河工模型 3.4 推移质动床河工模型 3.5 悬移质动床河工模型
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2
3.1 正态定床河工模型
相似条件
➢ 满足重力相似
流速比尺：
u
1/ l
2
流量比尺： Q
5/ l
2
时间比尺：
变态。综合考虑后选定变率为5，即取 h 100
3、按惯性力重力比相似要求：
u
1/2 h
10
4、按阻力重力比相似要求：
n
2/3 h
1 2 l
0.96
精品课件
19
变态模型设计实例
本河段枯水期的原型糙率为0.0204~0.0329，中洪水期 的原型糙率为0.0206~ 0.0255，要求模型糙率为：
精品课件
16
变态模型设计实例
试验研究的内容
某平原河流浅滩段航槽不稳，水深不足。按航运要求 应使现有最小航深再提高0.6m，决定采用整治措施，整治 方案是：固定上游右岸边滩，并在过渡段两侧压缩和导引 水流扩大固定缺口，以增加航深。
精品课件
17
变态模型设计实例
试验方案及模型布置
1、采用定床模型，修建工程后河床可能发生的冲淤变 化可由流速、流向、单宽流量分布、流态以及水面比降 的变化情况进行推论。
张有龄公式：n0.0166d16 天科所公式：n0.0133d16
密排加糙后模型有效水深与实际水深的关系为：
hh (0 .2~0 .3 )d
颗粒有间距排列加糙（梅花加糙）——须做预备试验
精品课件
4
精品课件
第3章 河工模型试验汇总
➢ 进行选沙计算：
假设选用 不同重度 的模型沙
计算
绘图
d gb t1
s 和 d gb t1 的关系曲线
确定模型沙的种类和粒径
39
3.4 推移质动床模型设计
➢ 水槽预备试验：主要是进行起动流速和糙率的试验
➢ 输沙量、时间比尺确定与调整：
9
正态模型设计实例
模型设计
1、由于场地限制，取模型平面比尺为：l 100
2、按惯性力重力比相似要求：
u
1/ l
2
10
3、流量比尺
Q
5/2 l
100000
10
正态模型设计实例
4、按阻力重力比相似要求：
n
1 6 l
2.15
由此求得模型糙率为：
上游： nm 0.0232 ~ 0.0371
下游： nm 0.0107 ~ 0.0186
0.96
19
变态模型设计实例
本河段枯水期的原型糙率为0.0204~0.0329，中洪水期 的原型糙率为0.0206~ 0.0255，要求模型糙率为：
枯水期： nm 0.0212 ~ 0.0342 中洪水期： nm 0.0214 ~ 0.0266
其中较大糙率出现在深槽部分，采取分段加糙办法， 除深槽部分采用直径为25mm的卵石梅花加糙外，其余 散铺10~15mm小卵石。因模型河段断面宽深比较大，仅 考虑河床糙率相似，河岸糙率相似未作单独考虑。
z 1 h
uh 1 l
又假定εz等于水流动量交换系数εm， 即
z m ukz
取 1 、k 1 ，又 u ghJ ，可得：
1/ 2
悬移相似条件
河工模型试验资料
概述
河工模型试验是利用远较原型河道为小的模型进行试验，以研究 河流在自然情况或在建筑物作用下的水流结构及河床变形，这种 模型是根据水流和泥沙运动的力学规律，通过复演与原型相似的 周界条件和动力学条件建立起来的。生产实践中，所遇到的河工 问题，大都属于三维问题，边界条件往往极端复杂，很难单凭现 有水流及泥沙运动知识，进行精确的分析计算，此时，采用模型 试验与理论分析相结合的方式，往往是解决问题的有效途径。
河工模型试验的理论基础－相似论原理
相似论原理
相似现象的相似特征
范畴：物质系统是机械运动相似
不仅是静态相似，也是动态相似 不仅是形式相似，也是内容相似
三个相似特征
(1)几何相似 (2)动态相似 (3)动力相似
河工模型试验的理论基础－相似论原理
几何相似
即模型与原型的几何形态相似。模型与原型中 的任何相应的线性长度，必须具有同一比例：
相似现象相似特征间的联系
相似现象中，相对应的各个物理量必须具有同一比尺。这些 物理量的比尺彼此之间按照一定的规律联系在一起的。
由牛顿第二定律
f m du dt
相似现象的相似指示数等于1
f t 1 m u
－－相似准则
相似现象的相似准则要相等
f ptp fmtm 常数 mpup mmum
Eu
p u 2
常数
压力/惯性力数
惯性力/粘滞力 惯性力/紊动剪力
河工模型试验的理论基础-相似论原理
推求比尺关系式的其它方法
除幂函数以外，其它方程式只要是合理的都可以推导出来 因次分析法
f(x,y,x,w)=0 没有办法时才采用
从作用力的一般表达式出发，导出比尺关系式（根据动力相 似条件）
河工模型试验理论及应用分析_徐洲
Hale Waihona Puke 结语 三 、 通过本文对河工模型 理 论 和 规 律 方 面 的 探 讨 ， 证明了河工模型试 验数据的可靠性 ， 对河工的发展建设 具 有 十 分 重 要 的 指 导 意 义 ， 并且在 为工程实践提供很有价值的参考依 河工建设过程中得到广 泛 的 应 用 ， 据， 同时 ， 也为促进了我国水科学研究 实 验 领 域 的 快 速 发 展 打 下 了 良 好 的基础 。 参考文献 ： ［ ］ 李昌华 ， 金德春 ， 河工模型试验 ， 人民交 通 出版社 ． １ ［ ］ 王桂仙 ， 惠遇甲， 河工模型试验 ， 中 国水利水电出版社 ． ２ ［ ］ 河流 泥沙 工程学 上册 ， 北京水利出版社 ． ３
河工的模型的分类 一 、 河工模型试验在河工建 设 方 面 具 有 十 分 重 要 使 用 价 值 ， 如何在实 际生产中有效地应用河 工 模 型 理 论 ， 我们必须首先从河工模型的分类 入手 。 河工模型分类 。 河工 模 型 试 验 通 常 分 为 正 态 定 床 河 工 模 型 、 变 １． 动床河 工 模 型 、 推 移 质 动 床 河 工 模 型、 悬移质动床河 态定床河工模型 、 工模型 ， 各种河工模型之间具有一定的相似性， 其主要表现为满足重力 ／ ／ １ ２ 流量相似 ５ ２ 时间比尺相似 相似中的流速比尺相似λ λ λ λ λ ｕ＝ ｌ 、 Ｑ＝ ｌ 、 ｔ＝ １ ／ ／ １ ２ 满足阻力相似 ２３ 在 满 足 前 两 项 相 似 的 同 时 需 要 满 足 λ λ λ λ ｌ ， ｕ＝ ｌ ， ｎ λ ｎ ／ １ ６ 通过对相似条件的分析为我 们 进 一 步 做 好 模 型 设 计 打 下 了 良 好 ＝ λ ｌ 的理论基础 。 本文笔者主 要 对 正 态 模 型 设 计 和 变 态 模 型 设 计 、 悬移质 动床模型设计为例进行探讨 。 河工模型设计 。 根据 不 同 的 河 流 条 件 ， 对河工模型设计采用不 ２． 同的设 计 方 法 ， 针对我国河流的特点， 通常采用实现阻力相似的方法和 其中实现 阻 力 相 似 的 方 法 又 包 括 曼 宁 公 式 法 和 蔡 克 士 模型加糙方法 ， 大曲线法 ， 模型加糙方法 包 括 颗 粒 无 间 距 排 列 加 糙 和 颗 粒 有 间 距 排 列 对于颗粒有间距排列加糙在设计时须做预备试验， 以保证模型设 加糙 ， 计的准确性 。 河工模型试验在实际工程的应用 二 、 正态模型设计 。 １． １． １ 正态模型研究的内 容 。 在 水 利 枢 纽 工 程 中 要 对 正 态 模 型 进 行 设计 ， 主要考虑坝轴线处 的 河 身 宽 度 ， 多 年 的 平 均 流 量、 实测的枯水流 量、 平均水深 、 平均流速等 参 数 ， 其定床河工模型试验主要为了研究河 引航道的排淤减淤措施， 优化口门布置形式及电站上下 道的整 治 措 施 、 游的流速 、 流态等 。 常 常 会 有 急 弯、 反坡 １． ２ 正态模型的布置方 案 。 在 一 般 的 河 道 中 ， 且两 岸 可 能 有 挑 流 基 岩 等 河 道 特 征， 针 对 这 种 情 况， 我们应该采取措 施， 保证水流形态相似 ， 有利于我 们 对 模 型 进 口 及 出 口 位 置 进 行 选 择， 模型位置确定后 ， 更有利于我们运用正态模型进行研究 。 常常会受到各 种 条 件 的 １． ３ 正态模型设计 。 在实际的工程施工中 ， 给施工带来十分严 重 的 影 响 ， 因 此， 对模型设计要综合考虑各种 限制 ， 影响因 素 ， 才能准确确定模型平面比尺， 满足惯性力重力比及流量比尺 相似 、 阻力重力比相似 比 的 要 求 。 根 据 以 上 相 似 条 件 我 们 可 对 水 利 枢 上游不同位置选择不同方法的施工 。 纽的下游 、 校核模型限 制 条 件 主 １． ４ 模型限制条件校核 。 在河工模型试验中 ， 经过对河工模型验证 要依据模型最小雷诺数 及 模 型 最 小 水 深 的 大 小 ， 试验， 看 水 力 要 素 模 型 与 原 型 是 否 相 符， 如果试验数值不符合设计要 求， 就要根据试验数据进行分析， 直至达到水利要素模型与原型基本相 以便在施工河工中得到有效运用 ， 满足河工安全生产需要 。 符， 变态定床河工设计 。 ２． 往往会 ２． １ 采用变态河工模型的原因 。 在实际的河工建设过程 中 ， 受到实验场地的限制 、 水流 条 件、 模 型 沙 选 择、 实验量测精度和时间的 限制 ， 不能准确地确定河工建设中的一些技术参数， 影响工程的正常生 因此 ， 可以通过采用变 态 河 工 模 型 解 决 这 一 课 题 ， 满足工程正常安 产， 全生产 。 ２． ２ 变态河工模型相似 条 件 。 变 态 河 工 模 型 相 似 条 件 除 满 足 流 速 ／ ／ ／ １ ２ 流量 相 似 ５ ２ 时间比尺相似 １ ２ 满足阻 比尺相似λ λ λ λ λ λ ｕ＝ ｌ 、 Ｑ＝ ｌ 、 ｔ＝ ｌ ， １ ２ ／ ３ 外还要满足紊流限制性条件和表面张力限制性条 力相似λ λ ｕ＝ ｌ λ ｎ 件， 对确定河工模型试验中的一些重要参数具有十分重要的参考价值 。 ２． ３ 变态河工模型的使 用 范 围 和 条 件 。 根 据 一 些 学 者 对 变 态 河 工 在变态 河 工 模 型 试 验 过 程 中 得 到 同 时 满 足 阻 力 相 似 模型的试验经验 ， 而且对采用大变率的模型来研 和重力相似条件的糙率 是 十 分 困 难 的 ， 究流速分布和回流问题 也 是 不 适 宜 的 ， 因此要掌握好变态模型的使用
水工模型试验及检测
2019/9/26
14
2019/9/26
AB AB
BC BC
CD CD
al 1
AB AB
BC BC
CD CD
al 2
相似常数
al1 al2
相似常数
15
两个相似的流体运动:
1
1
2
2
1
1 2
2
过水断面面积：
A11 A11 A22 A22
2019/9/26
11
2、相似现象
物理现象相似：物理体系的形态和某种变化过 程的相似。
“相似”的三种情况： 相似，或同类相似(similitude)；
②拟似，或异类相似(Analogy)； ③差似，或变态相似(Affnity)。
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2、相似现象
在两个几何相似的物理体系中，存在着具有同一 物理性质的变化过程，而且在两个体系中的相应 点上同名物理量之间，具有固定的比值，这两个 物理体系叫做同类相似或简称“相似”。
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水工模型试验及检测
《水工模型试验及检测》
总学时：24
总学分：1.5
教材：
–《水工模型试验》(第二版)，南京水利科学研究院 编著，水利电力出版社，1985年。
参考书：
–《水工模型试验及量测技术》，清华大学水利系， 中国工业出版社，1961.9。
–《模型试验的理论与方法》，左东启 等编著，北 京水利电力出版社，1984。
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2、相似现象
在两个几何相似的物理体系中，存在着具有同一 物理性质的变化过程，而且在两个体系中的相应 点上同名物理量之间，具有固定的比值，这两个 物理体系叫做同类相似或简称“相似”。
水利工程的数值模拟和模型实验
水利工程的数值模拟和模型实验水利工程是指对水资源进行开发、利用、保护、治理和优化的一种工程。
在水利工程的设计、建设和管理过程中，数值模拟和模型实验是非常重要的手段。
通过数值模拟和模型实验，可以预测水利工程在不同条件下的运行情况、优化设计方案、预测水利灾害等等，对于水利科技的进步和水利工程的安全运行具有非常重要的作用。
一、数值模拟数值模拟是通过计算机数学模型，模拟大自然中的现象、情况等。
在水利工程中，数值模拟可以模拟水文过程、水力过程、水质过程等。
数值模拟可以为水利工程的设计提供依据，为水利工程的运行提供预测，为水利灾害的预防提供帮助。
1、水文模拟在水利工程中，水文模拟主要是模拟雨水径流量、水文循环等。
通过数值模拟可以预测不同情况下的径流量，如大雨时期的径流量、极端气候下的径流量等。
这些预测可以为水利工程的设计提供基础依据，可以为水利工程的安全运行提供预测，可以为防洪救灾等提供参考。
2、水力模拟水力模拟是模拟水流运动的过程。
在水利工程中，水力模拟可以为设计、运行、研究提供依据。
例如，模拟水流运动，可以为设计水利工程提供基础；模拟洪水流动，可以为防洪救灾提供预测；模拟水质流动和污染扩散，可以为水资源保护提供帮助；模拟水泥浆注入等，可以对岩土工程、地质工程中的注浆、固结、稳定、加固等项目提供依据。
3、水质模拟水质模拟就是模拟水体中的物质运移、转化、分布及其影响的过程。
水质模拟可以帮助研究和评估水质、水资源的管理和保护问题。
例如，模拟污染物的传输和扩散，可以为水质评估、污染控制和水源保护提供预测。
二、模型实验模型实验是指通过制作比真实情况小但比具体数学模型大的实验模型，对水流、水位、水工结构等进行测量、试验，以获得其性能、特性等方面的参数，从而为水利工程设计、运行提供依据。
模型实验常用于模拟小尺度的水利工程和特定水情；对于大尺度。
复杂水工问题，模拟水文和水力过程相对困难，而模型实验可以提供现场插值，使得物理现象更为清晰。
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模型验证
ຫໍສະໝຸດ 对制作好的模型的高程、平面控制进行复核（应符 合规范要求） 水面线验证（加糙、减糙调试） 流速分布验证 分流比验证 河床冲淤变形验证（冲淤量及分布）
河工模型试验的几个问题
正式试验
河工模型试验的几个问题
加糙问题
通常采用的加糙方法有两种：
密实加糙 梅花加糙
河工模型试验的几个问题
密实加糙：
将选用来加糙的沙、或砾、或卵石彼此紧密排列，基本上 不留空隙。所选用的粒径大小可按张有龄公式估算：
n 0.0166d 1/ 6
－式中 d为颗粒直径，mm；n为模型糙率系数，可根据糙
率比尺从原型糙率推求。上式适用于d＝0.13~8mm。 天津水运工程研究所曾研究较粗颗粒的糙率，所得关系式 1/ 6 为
河工模型试验的几个问题
模型沙选择
在动床模型试验中，模型沙的选择：
一方面要满足水流运动相似要求中的床面糙率相 似； 另一方面又要满足泥沙运动相似要求中的悬移相 似(卵石推移质动床模型除外)及起动相似。
河工模型试验的几个问题
模型沙选择
动床模型要做到床面糙率相似是十分不易的，原型和模型的床面糙率与沙波 运动关系极大。而实际资料表明，沙波的发生、发展和消亡过程，模型和原 型往往是不相对应的。对于以床面糙率为主的原型河流，通常是枯水时较大， 变幅也大，随流量的增大糙率逐渐减小；而以床面糙率为主的模型小河，在 某些情况下，由于沙波逐渐发展壮大，糙率往往随流量的增大而增大。这样， 就使得各级流量下都做到阻力重力比相似非常困难。为了解决这个困难，一 个办法是寻找不产生沙波的模型沙。某些实践资料表明，对于粒径较大，密 度不是太小的模型沙，在模型水流条件下是有可能不出现沙波的。但这样的 模型沙显然只能模拟推移质，且不一定能满足起动相似的要求。另一个办法 是，各级流量采用不同的糙率比尺，相应地也采用不同的流速比尺。这样做， 不但惯性力重力比相似各级流量不能同时满足，起动相似也不能同时满足。 还有一个办法是，采用较小的模型沙糙率，通过在水流中不同水深处加障碍 物(如铅丝、竹片之类)的办法来调整糙率，这样有可能做到各级流量下的阻 力相似，但将破坏水流的紊动结构，影响泥沙运动。比较现实可行的办法是， 对于所研究的问题至关紧要的流量级，力求做到糙率相似，其它流量级则允 许一定程度的偏离。模型沙在各级流量下的糙率应通过水槽预备试验加以确 定。水槽试验的综合糙率甚易求得，边壁玻璃糙率己知，床面糙率可根据部 分糙率与综合糙率的关系式求出。模型沙的糙率对决定水流阻力重力比相似 关系甚大，应结合模型比尺大小、是否变态及模型沙的其它相似要求，统一 考虑。
河工模型试验的几个问题
模型沙选择
采用极细颗粒的模型沙，就满足悬移相似来说，存在的主要问题是模型沙的絮凝现象问题。絮凝使粒 径变粗、沉速加大，但仅仅这一点并不影响模型试验进行，只要在模型设计中如实地考虑到这一点即 可。模型沙的设计粒径不应该是它真正的粒径，而应该是絮凝后的粒径。因此，在对模型沙做粒配分 析时，所用的水不应该是蒸馏水或去离子水，而应该是模型试验用水，这样求得的粒径就不是真正粒 径，而是絮凝后的粒径了。另外，由于含沙量的大小也会影响到泥沙的沉速和据以算出的粒径，粒配 分析用水的含沙量也应该接近模型试验的含沙量。絮凝所带来的主要问题是粒径不稳定，模型试验在 其它条件相同时，如果絮凝程度不一致，模型沙的有效粒径就不一致，模型的冲淤变化也就不会一致， 模型试验的成果就不稳定了。为了保持试验成果的稳定，不是要求不出现絮凝现象，而是要求这一现 象比较稳定。根据我们的研究，当使用极细的泥沙作模型沙时，要使絮凝程度不变，关键问题在于保 持试验用水的水质不变，特别是一般河水中严重影响絮凝程度的高阶阳离子(主要是钙、镁离子)的含量 不变。为此，就应严格监视水质。通过水质化学分析，选定一种经常出现但偏大的钙镁离子含量作为 控制值，如果钙、镁离子含量减少，就投放氯化钙，人为增加钙镁离子含量，使稳定在控制值附近。 实践表明，只要严格控制试验用水的水质，用极细沙作模型沙是可以做到保持试验成果稳定的[6，7]。 附带指出，水质对泥沙絮凝的影响也可以作为调控细颗粒粒径的一种手段。如粒径偏粗，可以加偏磷 酸钠之类的反凝剂使其变细；如粒径偏细，可以加氯化钙促进絮凝的发展。当然，如果这种手段可以 不采取的话，还是以不采取为宜，因为它毕竟会带来一些控制上的麻烦。最后还须说明的是，絮凝现 象还与模型沙的化学性质有关，如白土粉的紫凝现象就较电木粉强烈，同属白土粉，但产地不同，化 学性质不完全一样，絮凝现象也有差异。因此，对每一种具体的模型沙，都应事先进行分析研究。
河工模型试验的几个问题
模型沙选择
对于只须满足起动相似的泥沙模型，例如卵石推移质动床模型，模 型沙的选择就更容易了。原则上应该是尽可能用天然沙，迫不得已 时，也可用轻质沙。后者存在的问题主要是推移质输沙率比尺关系 式的选择问题．在上一节中已经讨论过，这里就不重复了。 悬移相似和起动相似必须同时满足的泥沙模型，选择模型沙比较团 难。例如一般悬移质动床模型，为满足悬移相似，要求采用很细的 模型沙。模型沙的密度愈大，粒径就要求愈细，而很细的模型沙， 由于粘结力产生作用，却难以起动。为了解决这个问题，除采用轻 质沙做模型沙外，别无良法。轻质沙由于密度较小，满足悬移相似 的粒径可以粗一些，有可能不出现粘结力，或粘结力甚小，不至严 重影响起动流速，因而能做到起动相似。一般来说，对于悬移质中 的床沙质，由于粒径较祖，满足这个条件要容易一些；而冲泻质则 由于粒径甚细，满足这个条件要困难得多。
河工模型试验的几个问题
梅花加糙：
梅花加糙虽然比相同颗粒的密实加糙更能增加糙率(前者最大可 达到后者的1.3倍)，但将改变河床的糙率分布状况。特别是当颗 粒较粗时，这种改变可能是十分严重的，以致影响到紊动结构和 流速分布的相似性。因此，这种梅花加糙的办法，用于研究一维 流和平面二维流的问题应该是可以的。对于研究三维流问题则存 在一些问题，如果要在模型中使用泥沙指示剂，存在的问题就更 大了。在每一颗沙粒后面的绕流影响区内都将发生淤积，妨碍泥 沙指示剂的运行。使用梅花加糙，颗粒不宜过大，粒径与水深的 比值以控制在5％以内为宜，最大不应超过10％。 梅花加糙由于受到一些限制，不可能达到很高的糙率，当要求较 高的模型糙率时，只能采取前面曾经提到的在模型表面塑制凹槽 等其他办法。武汉水利电力学院在进行荆江分洪工程模型试验时， 根据设计要求模型糙率nm为0.045，当时趁水泥沙浆未干的时机， 在河床上刮制小槽，小槽宽深各10mm，间距20~30mm，方向 垂直于水流。放水试验结果，模型糙率nm已达到0.0447，满足 了阻力相似要求
河工模型试验的几个问题
河工模型试验的几个问题
试验河段的范围 模型设计 资料 模型制作 试验准备工作 模型验证 正式试验 加糙问题 模型沙选择
河工模型试验的几个问题
试验河段的范围
根据试验项目内容、河段具体情况、试验场地大小、供水能 力等综合考虑，一般应该包括进口段、试验段、出口段，足 够的试验段长度及大小是必须保证的。 根据试验项目内容决定做定床、动床（悬沙、推移质）（水 流、温排），正态、变态，全江、半江。 包括：模型的比尺（平面λl 、垂直比尺λh）、相应的λn、λu、 λt、λd、λs、λgb、λω、λuc、λt’、λt” 。模型hmin、Redmin,模型沙 （dm,ρsm 、级配、nm、ωm）
河工模型试验的几个问题
梅花加糙：
河工模型试验的几个问题
梅花加糙：
由前图可见，在L2面积内，共有两颗沙粒，每颗沙粒及绕 流影响所及之处所占的体积应等于半球体的体积0.5(πd3/6) 再加上底面积为πd3/4，高为12d(绕流影响长度)的锥体体 积[0.5(πd3/6)十(π/12)d2(12d)]。Δ的物理涵义应为将两 颗沙粒所占有的体积V平铺在L2面积上的高度。前图中横 坐标K所包含的n值，即系根据水槽试验资料将有效水深h 按式(8-76)取值得来的。当间距L小于绕流影响长度12d时， 上下游圆锥体相互重合部分应予扣除。
河工模型试验的几个问题
梅花加糙：
梅花加糙情况下有效水深h与实际水深h’(水面至 未加糙床面深度)之间的关系可取为
h h
天津水运工程研究所建议式(8-76)中的Δ值， 按以下公式确定：
V L2
1 V d 3 d 2 12 d 2 2 6 12
河工模型试验的几个问题
1.
模型制作
注意高程及平面系统的统一（珠江基面、黄海基 面、国家85高程基面、广州城建高程基面等）， 地形图拼接 切制横断面，反映地形变化，注意微地形的制作 断面绘裁 导线放样 模型断面安装（定床、动床）
2. 3. 4. 5. 6.
河工模型试验的几个问题
试验准备工作
根据试验要求，编制好试验放水过程要素表
河工模型试验的几个问题
模型沙选择
有关泥沙运动的两个相似要求，如果可以只满足其中的一个 (悬移相似或起动相似)，模型沙是不难选择的。例如盲肠河段 的回流淤积及异重流淤积问题，淤积是累积性的，基本上不 发生冲刷，因而只须满足悬移相似即可。这种泥沙模型，虽 然所要模拟的原型泥沙是较细的悬移质(包括其中极细的冲泻 质)，为满足悬移相似，模型沙必须很细。但这样的模型沙并 不难选，无论是密度与天然沙接近的滑石粉、白土粉或者较 天然沙为小的煤灰、半焦、电木粉、煤粉等，都可以选用。 它们之中有些本来就是很细的(如滑石粉、白土粉、煤灰)；有 些虽然原来较粗(如半焦、电木粉，煤粉等)，但也可以通过球 磨加工到很细。总之，它们都可以磨细到满足悬移相似的要 求，并选出各种粒径，配制成与原型沙相似的粒配曲线。