现代水动力学实验作业

1、 简述流量的测量方法及适用条件。
（1） 、浮标法 浮标法是河流测速中很常用，简单易行的一种方法。在河流测速中，在 上游的某一位置放置漂浮物，同时用秒表记下当时的时间，当漂浮物到达下 游某一位置时记录时间，同时测出这两个位置的距离，就可以算出河水的流 速，重复几次就可以求出河水的平均流速。但是这种方法只能测出流体的表 面流速。在坡面流测速中，我们也可以用此种方法，漂浮物可以选用较为小 的诸如泡沫颗粒一类的东西。两点间的距离应该是径流流过的距离。重复几 次，即可确定水流速度的平均值。此种方法简单易行，不足之处就是误差较 大。 （2） 、颜色示踪法 颜色示踪法也是河流测流速的一种方法。通过给流体注入染色剂，如红 墨水，在初始位置倒入染色剂并记录时间，选定某一位置作为中止位置，当 染色后的流体到达时记录时间，就可以求出水流流速。多做几个重复，就可 以求出此段距离内的平均流速。这种方法同样简便易行，误差较浮标法小， 但要注意距离不能选得太长，否则染色剂会稀释严重，肉眼不易观察。 （3） 、盐液示踪法 盐液示踪法是在上游某一位置给径流中注入盐液， 同时用秒表记录时间， 通过布设在下游的电极来感应盐液的到达，由连接在电极上的灵敏电流计显 示出来。通过时间差和距离，就可以算出此段距离内的流体速度。 计算和上式相同， 只不过时间 为从开始注入染色剂到电流计的指针发生 明显偏移的时间。 （4） 、流量法 在明渠水流测量过程中，对于非常规则的渠道，流量法是目前测量流速 比较准确的方法之一，其原理明确、简单。对于坡面薄层水流，由于水流深 度在厘米级，其误差主要是产生于水层厚度的测量。在不同坡度和泥沙含量 条件下，测量水流流量与水深，流量用积分桶测量，水深用水位计测量，水 位计的精度为 1/10mm。 （5） 、电解质脉冲法 这是一种较新的测速方法。 在示踪法的基础上，假设加入的盐液为电解质脉 冲，建立盐液在水流中迁移的数学模型，并求得解析解，再根据测量结果拟 合出水流速度，这种方法即为电解质脉冲法。该方法从理论和初步测量结果 来看是可行的，但其可行性还需要用大量的实验进行验证，分析泥沙含量、 流速和流量对测量结果的影响。由于在野外或室内不规范的条件下，至今没 有一种好的方法对薄层水流流速进行比较准确的测量，因此只有在室内设置 规范的模拟水槽，建立盐液在水流中迁移的数学模型，并求得解析解，经模 数转换后用最小二乘法对电解质迁移的数学模型进行拟合， 计算出水流速度。 同时，用质心运动速度和流量法的测量结果对这种方法进行验证。
3、 论述原型观测技术在环境水力学中的应用与地位。
(一)原型观测工作的地位及其重要性
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原型观测在水电工程中有着极其重要的地位。 大坝和其它建筑物在诸多外力 作用及自然因素影响下,受力条件及工作状态随时可能发生变化。有的是规律性 的,也可能会出现异常情况。其中有些情况会给水库的正常运行带来不利影响， 严重的会关系到大坝的安全甚至造成水库失事。为确保水电站等建筑物的安全, 在精心设计施工的同时,也要随时掌握建筑物的运行状态，一旦发现异常应及时 进行补救。 实践证明,原型观测成果不但为工程的施工和运行提供重要的依据 ,而且也 为改进设计施工方法积累了第一手资料。因为水工建筑物的边界条件十分复杂, 荷载条件经常变化,基岩特性和地质构造各处不同无法用现有的计算方法准确地 预测结构的实际工作状态。 虽然目前采用有限单元法在计算机上可以进行一些材 料力学或弹性力学难以解决的问题,但是,在边界条件的处理上,应力应变的简化 方面仍然需要一些假定。计算中使用材料特性参数不是假定的,就是有限材料测 定的,这些假定或测定的值.必然导致一定的误差.使有限元计算成果和实际应力 状态之间存在差别,有时这种差别是很大的。目前的模型试验的技术水平还不能 完全模拟这些因素,只有通过坝体原型观测手段 ,从建筑物的自身了解其实际工 作状态。 （二）原型观测的必要性。 （1）设计人员一般都不能绝对地肯定他们对某项工程的设计是既安全而又最经 济的，通常都采用“原型观测法”进行施工。其观测成果可使工程设计人员在施 工中求得设计的合理和完善 ,有助于减少某些未知数 ,并可以使分析技术和未来 设计技术取得进步。 （2） 随着新施工技术的发展,通用的施工质量检测方法对工程的施工质量不易做 出评价,而从原型观测设施得到的观测资料就可以帮助评估其质量的优劣。 （3）如果大坝发生了某种破坏或险情,由观测系统取得的资料中,能及时发现险 情,对确定事故的特性是很有意义的,有助于确定工程的加固方案和效果。 （4）预测需要。运用长期观测积累的资料进行大坝未来性态的评价是很重要的 一项工作。 有助于大坝的安全运行,发挥工程效益。若需加固,它可提供有价值的 资料和可靠的依据。
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掺气。还有人说，明槽急流就是高速水流，因为急流会发生一些特殊的水流 现象，如冲击波等。 根据近 30 多年来对高速水力学的研究与认识，看来 20m/s 以下的流速， 虽然有掺气、空化、脉动、冲击波等高速水力学问题，但不是很严重，对确 定水工建筑物的体型影响不大，所以一般可不作为高速水力学问题处理，按 一般水力学问题计算就可以了， 而把流速达到 20~50m/s 的水流作为高速水力 学研究的主要范畴。 也就是说，高度水力学主要指研究流速为 20~50m/s 的水 流的运动规律的学科。 研究内容：一般来说，高速水力学包括以下六个研究课题： 1、水流脉动与水工建筑物的振动 人们发现水流在运动中有脉动现象是本世纪 30 年代的事，距今只有 70 年。我国在 50 年代开始研究，特别是在 50 年代后期这方面的研究有较大的 发展，后因观测手段跟不上，数据理论与分析手段落后，很长一段时间进展 不大。 到 80 年， 由于实验与测试技术的改进， 数据处理分析中计算机的应用， 水流脉动的研究有了更多的进展与提高。 研究脉动的基础应是紊流理论，近年来借助随机理论推动了这个课题的 发展。 国内外都对这个课题的研究非常重视，但这个课题能否有进展，主要与 观测及分析技术有关，与紊流理论的发展和应用有关。 2、掺气水流 高水头泄水建筑物中的水流，由于水头高，流速大，在一定条件下会掺 入大量空气， 形成掺气水流。 掺气水流是高速水力学中发现最早的一种现象， 本世纪 20 年代就已经开始了室内外研究，但主要研究的是自掺气水流，本世 纪 60 年代以来人们的注意力，更着眼于强迫掺气水流，利用掺气减免空蚀推 动了强迫掺气水流的研究。 3、空化与空蚀 空化与空蚀最早是在航海界发现的， 到本世纪 30 年代才在水工建筑物上 发现。由于与水流运动接触的固壁上都可能有空化与空蚀，所以这个课题的 研究人力多，领域广，成果也多。 水工建筑物的空化与空蚀，从 30 年代开始，很长时间内侧重于过水建筑 物合理体型的设计，抗空蚀材料的研究以及在施工中控制不平整度。但问题 一直未得到解决， 到 60 年代美国首先用掺气减wk.baidu.com获得成功，以后不少国家都 相继采用，效果良好。我国从 70 年代开始在工程中采用掺气减蚀措施。 我国减免空蚀的研究， 在 70 年代有较大的发展，很多研究单位相继建设 了研究设备。这方面的研究能否取得进展主要与空化研究设备、测试技术、 空化机理有关，对我国还应研究含沙水流对空化的影响。 4、泄水建筑物的消能防冲 我国的水利水电建设工程主要是两大类，一类是高水头、大流量，窄峡 河谷的大中型工程，另一类是面广量大的中小型工程。两类工程中都有不同 的高速水力学问题，特别是消能防冲问题在两类工程中普遍的存在着。 近年来我国已突破了传统的底、面、挑三种消能方式，而大量的采用了 落水点前后错开，挑坎高程不同的大差动泄洪，各种异形挑坎，窄缝挑坎等
4、 列举不少于 5 个高速水力学中的科学问题，并举一例详细 说明。
定义：大家知道，水力学是研究液体运动规律及其应用的科学。高速水 力学是研究水流在高速流动情况下的运动规律及应用这些规律解决工程实际 问题的科学。即是说高速水力学包括两大部分内容：一部分是水流高速运动 规律的研究；另一部分是应用这些规律解决工程实际问题研究。 什么叫“高速” ，多大的速度属于高速的范畴，这一点到目前为止还没有 严格的数字界限。 过去有人说 7~8m/s 以上的速度就属高速了，因为当明槽水 流达到这个速度时， 水流就开始掺气了。但也有人说 5m/s 以上的流速就为高 速，因为水流达到 5m/s 的速度时，其脉动与紊动已较强烈，局部地区已开始
2、 简述泥沙颗粒级配的测量方法。
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（1）传统的泥沙颗粒分析方法 黄河泥沙颗粒级配分析工作始于 1950 年，于 1960 年开始使用基于沉降原理 操作较为方便的粒径计法替代之前操作繁琐的滴漏管法随着光电技术和计算 机技术的发展， 黄委水文局于 1980 年研制并应用了基于光衰原理的消光法颗 分仪器光电颗分仪，实现了与计算机的对接存储和成果输出，是泥沙颗粒分 析方法和手段的一次重要技术进步。 由于传统的泥沙颗粒分析方法均基于颗粒为球体这一假设，其粒径按等 效标准球体颗粒的沉降原理测量， 因此吸管法(移液管法)的测量原理最直观。 尽管该方法为全手工操作，步骤也较为烦琐，但仍被作为检验其他颗分方法 测试精度的标准方法筛分法是利用一套标准筛，通过手动或振筛机机械振动 来分选泥沙颗粒的方法， 适用于粒径大于 62μm 的较粗泥沙。 该方法手工干预 环节多技术含量低，但因操作简单且对环境条件和器具设备要求低，特别是 对 1000μm 以上的粗泥沙部分分析有绝对优势，故一直被保留使用。 以上几种方法是测试泥沙颗粒级配的经典方法， 在黄河上应用了几十年， 积累了大量的泥沙颗粒分析资料然而，这些传统方法普遍存在自动化程度低 手工操作环节多分析时间长成果精度受人为因素制约等问题。 （2）泥沙颗粒分析新技术 激光粒度分析技术 激光粒度分析技术(简称激光法)的原理是米氏全散射理论和弗朗霍夫衍 射理论。 让一束平行单色光照射样品池中的颗粒， 使之产生光的衍射、 散射， 小颗粒散射(衍射)角大，大颗粒散射(衍射)角小。大小不同的颗粒衍射、散 射后的光投向布置在不同方向的光接收器(检测器)，再经光电转换器将接受 的光能信息通过计算模型转化成粒级级配分布的信息。 若被测试样品为泥沙， 则测试结果即泥沙粒径级配。 在线粒度分析技术 在线粒度分析技术(OPUS，简称超声法)基于超声衰减原理，实施测量的 基础是 Lambert-Beer 定律。OPUS 频段范围为 100kHz～200MHz，使用时可在 这个范围选择任意子频段， 选定的子频段自动划分为 31 个频率点，按从高频 点到低频点的顺序检测，过程耗时约 60s。将这 31 个频率点的测验信号代入 模型，可形成 31 个方程，进而解算出 1 个浓度值和 30 个粒度值，即所需的 含沙量和泥沙颗粒级配信息。 动态泥沙粒形分析技术 动态泥沙粒形分析技术(QICPIC， 简称图像法)的工作原理:在颗粒运动过 程中采用同步照像或频闪捕捉技术拍摄运动颗粒图像，形成视频信息，由计 算机对这些视频信息进行数字化处理、分析识别颗粒的边缘，并按照一定的 等效模式计算各个颗粒的粒径、球形度等表征值，获得粒度和粒形信息。整 个测试过程中，颗粒的形状可以直接观察，结果中符合筛选条件的颗粒、粒 度粒形等数据表征值和图像资料可以借助图、表等方式输出，也可以通过粒 子库重现。
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收缩式的新型消能工还有掺气分流墩，宽尾墩等辅助消能工及其多者结合的 综合消能措施，解决了我国许多布置复杂，地形地质条件不利的工程的消能 与防冲问题。例如东江、龙羊峡水电站的消能工使下游冲刷减小 40%，宽尾 墩，掺气分流墩的出现给深尾水，低佛氏数的泄洪消能防冲工程带来了广阔 的前景，安康、五强溪等工程采用宽尾墩后，使消力池长度缩短了 1/3~1/2. 5、明槽急流控制的研究 在不少大、中型水利枢纽工程中，岸边溢洪道是主要的泄水建筑物，为 利用其地形，往往溢洪道有转弯，变底坡断面的收缩与扩大等情况。溢洪道 或明流泄洪洞中的水流一般为急流，遇到上述情况，将产生冲击波等问题， 对溢洪道及泄洪洞的正常运用是不利的所以人们一直在想法对急流进行控制， 对急流怎么控制，需要采取哪些措施，这也是高速水力学研究的课题之一。 6、泄水建筑物紊流边界层的研究 我国对泄水建筑物紊流边界层的研究，在国际上可以说是领先的，但我 国过去的研究是以实验为主的，理论方面的深度还不够，特别是在紊流理论 与边界层理论方面。近年来由于测试技术提高及计算机的应用，这方面的情 况有所改观，边界层的数值计算有较大的发展。 紊流边界层是搞清上述五大问题（课题）的基本理论，因此亦是高 速水力学的研究课题之一。 7，泄洪雾化问题 由于泄洪水流与空气边界相互作用形成雾化水流 对空化空蚀的详细说明： （1） 空化 液体内局部压强降低到液体的饱和蒸气压时， 液体内部或液固交界面上出现 的蒸气或气体空泡的形成、 发展和溃灭的过程 。描述空化状态的无量纲组合 量 称为空化数 σ 。，其中 p∞、v∞分别为液体未扰动处的压强和流速，ρ 为液体 密度， pv 为液体在环境温度下的饱和蒸气压。 空化数愈小 ， 空化现象愈显著 。 通过改变来流压强或速度， 可改变空化数和空化状态。有关空化的基础研究包括 空化机理、空蚀、空泡流理论、空化效应和非定常空化等课题。水力机械、高速 涵洞、 水翼、 舵、 水中兵器等都会遇到空化问题， 致使材料剥蚀， 机械效率降低， 并产生振动和噪声。但在流态显示、水力钻孔和工业清洗作业中，也可发挥空化 的有益作用。 （2） 空蚀 液体中运动物体受空化冲击后，表面出现的变形和材料剥蚀现象，又称剥蚀 或气蚀。空化过程中，空泡急速产生、扩张和溃灭，在液体中形成激波或高速微 射流。金属材料受到冲击后，表面晶体结构被扭曲，出现化学不稳定性，使邻近 晶粒具有不同的电势， 从而加速电化学腐蚀过程。剥蚀区域材料的机械性能显著 恶化，导致空蚀量剧增。在有关工程设计中，须预先进行模型试验，采取措施， 尽量避免发生空蚀；也可在会发生空蚀的部位涂上或包上弹性强的抗空蚀材料， 或注入气体以吸收空泡溃灭所辐射的能量。 是局部空化 （局部边界面上出现空泡）