河工模型试验PPT课件
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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
河流水质模型05PPT课件
17
李光炽
水质模型
当忽略弥散项时有如下形式的解：
LL 0ex K p 1x/(ux)
O O s ( O s O 0 )e x K 2 x /u p x ) K ( K 1 1 L K 0 2 [e K 1 x x /u x ) p e ( x K 2 x /u p x )
D D 0 e x K 2 x p /u x ) (K K 1 1 L K 0 2 [e K x 1 x /u x p ) e ( x K 2 x p /u x )(]
式中 L — BOD浓度；O — 溶解氧浓度， ux — 断面平均流速，DL — 纵向弥散系数； K1 — 耗氧系数：K2 — 复氧系数； Os — 饱和溶解氧浓度。
15
李光炽
水质模型
对于稳态情形
ux LxDLx2L2 K1L ux O xD L 2 xO 2K 1LK 2(O sO )
边界条件
x0,LL0,OO0 x,L0,OOs
16
李光炽
水质模型
解为
LL0exp1x()
O O s (O s O 0 )ex2 x ) p K K ( 1 1 L K 02[e1 x x ) p ex (2 x ) p]
12uD xL(114DLK1/ux2)
22uD xL(114DLK2/ux2)
由此可解得C为
C C0
1 K1V /Q
或
C C0
1 K1t
其中t=V／Q，称滞留时间。
水质模型
10
李光炽
水质模型
11
李光炽
水质模型
将零维模型应用于实际河流的稳态水质模型 或预测时，首先需要将河流分成若干河段， 每一河段再划分为长度为x的若干微段，每 一个微段即视为一个完全混合的反应器
李光炽
水质模型
当忽略弥散项时有如下形式的解：
LL 0ex K p 1x/(ux)
O O s ( O s O 0 )e x K 2 x /u p x ) K ( K 1 1 L K 0 2 [e K 1 x x /u x ) p e ( x K 2 x /u p x )
D D 0 e x K 2 x p /u x ) (K K 1 1 L K 0 2 [e K x 1 x /u x p ) e ( x K 2 x p /u x )(]
式中 L — BOD浓度；O — 溶解氧浓度， ux — 断面平均流速，DL — 纵向弥散系数； K1 — 耗氧系数：K2 — 复氧系数； Os — 饱和溶解氧浓度。
15
李光炽
水质模型
对于稳态情形
ux LxDLx2L2 K1L ux O xD L 2 xO 2K 1LK 2(O sO )
边界条件
x0,LL0,OO0 x,L0,OOs
16
李光炽
水质模型
解为
LL0exp1x()
O O s (O s O 0 )ex2 x ) p K K ( 1 1 L K 02[e1 x x ) p ex (2 x ) p]
12uD xL(114DLK1/ux2)
22uD xL(114DLK2/ux2)
由此可解得C为
C C0
1 K1V /Q
或
C C0
1 K1t
其中t=V／Q，称滞留时间。
水质模型
10
李光炽
水质模型
11
李光炽
水质模型
将零维模型应用于实际河流的稳态水质模型 或预测时，首先需要将河流分成若干河段， 每一河段再划分为长度为x的若干微段，每 一个微段即视为一个完全混合的反应器
水力学实验4.水工及河工模型试验理论基础
u 0 1
l01 t 01
u
u01 u01
l01 t01
l01 l t01 t
ut 1（相似指标） ut ut idem K（相似准数）
l
l p l m
❖ 两体系运动相似，要求相似指标等于1，或相似准数等于某 一常数。物理量比尺之间相互制约，不能全部任意指定。
4.1 相似现象及相似概念
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。
❖ 例：牛顿相似律：
v F
Mav
M
duv
r
原型：Fp
r
Mp
r du p dt p
dt
r
模型：Fm
r
Mm
r dum dtm
F
Fr p Fm
,
m
Mp Mm
,
u
u r
p
um
,
t
tp tm
相似变换
F t （1 相似指标） mu
Ft Mu
P
第四章 水工与河工模型试验理论基础
4.1 相似现象及相似概念
一、相似的定义及含意
❖ 定义：两个物理体系的形态和某种变化过程相似，即不仅 静态相似，动态也相似；形式相似，内容也相似。
❖ 相似的含意 ➢ 相似：在几何相似的系统中，各相应点上发生着物理本 质相同的过程，并可用相同的物理方程来描述。 ➢ 模拟：两个体系的物理性质不同，但遵循同一数学规律， 通过对一种物理现象的研究去了解另一物理现象的方法。
uzm ym
uzm
uzm zm
g
g zm
p l
1
m
pm zm
u l2
m2uzm
2 u
第三节河流水质模型-PPT
放口处得纵向坐标x＝0、
S-P模型—描述河流水质得第一个模型,由斯特里特(H • Streeter) 与菲而普斯(E • Phelps)在1925年建立。
基本假设:河流中得BOD得衰减与溶解氧得复氧都就是一级反应,反 应速度为常数;河流中得耗氧就是由BOD衰减引起得,而河流中 得溶解氧来源则就是大气复氧。
S-P氧垂公式
O= Os-D = Os-
Kd L0 Ka - Kd
[e-Kd t - e-Ka t] - D0 e-Ka t
污水排放点 河流BOD＝L0
饱和溶解氧浓度Cs
O—河流中得溶解氧值
溶解氧
D0 Dc
氧垂曲线
Os —饱与溶解氧值
DO
L0－河流起始点得BOD值
D0－河流起始点得氧亏值
Dc－临界点得氧亏值
KL = C
uxn Hm
饱与溶解氧浓度Cs就是温度、盐度与大气压力得函数。在
760mmHg压力下,淡水中得饱与溶解氧浓度为
T为0c
468 Cs =
31.6 + T
四、光合作用
水生植物得光合作用就是河流溶解氧得另一个重要来源。
欧康奈尔假定光合作用得速度随着光照强度得变化而变 化。中午光照强度最大时,产氧速度最快,夜晚没有光照时,产 氧速度化
水质模型得解析解就是在均匀与稳定得水流条件 下取得得,划分断面得原则:
a)河流断面形状发生剧烈变化处 b)支流或污水得输入处 c) 河流取水口处 d)其她需要设立断面得地方
二、多河段BOD模型及DO模型得建立
1、 BOD模型 河流水质得特点之一就是上游每一个排放口排放得
Kc＝ Kd + Ks
3、 1966年, K·Bosko研究了河流中生化作用得BOD衰减速度 常数Kd与实验室得数值Kc之间得关系:
S-P模型—描述河流水质得第一个模型,由斯特里特(H • Streeter) 与菲而普斯(E • Phelps)在1925年建立。
基本假设:河流中得BOD得衰减与溶解氧得复氧都就是一级反应,反 应速度为常数;河流中得耗氧就是由BOD衰减引起得,而河流中 得溶解氧来源则就是大气复氧。
S-P氧垂公式
O= Os-D = Os-
Kd L0 Ka - Kd
[e-Kd t - e-Ka t] - D0 e-Ka t
污水排放点 河流BOD＝L0
饱和溶解氧浓度Cs
O—河流中得溶解氧值
溶解氧
D0 Dc
氧垂曲线
Os —饱与溶解氧值
DO
L0－河流起始点得BOD值
D0－河流起始点得氧亏值
Dc－临界点得氧亏值
KL = C
uxn Hm
饱与溶解氧浓度Cs就是温度、盐度与大气压力得函数。在
760mmHg压力下,淡水中得饱与溶解氧浓度为
T为0c
468 Cs =
31.6 + T
四、光合作用
水生植物得光合作用就是河流溶解氧得另一个重要来源。
欧康奈尔假定光合作用得速度随着光照强度得变化而变 化。中午光照强度最大时,产氧速度最快,夜晚没有光照时,产 氧速度化
水质模型得解析解就是在均匀与稳定得水流条件 下取得得,划分断面得原则:
a)河流断面形状发生剧烈变化处 b)支流或污水得输入处 c) 河流取水口处 d)其她需要设立断面得地方
二、多河段BOD模型及DO模型得建立
1、 BOD模型 河流水质得特点之一就是上游每一个排放口排放得
Kc＝ Kd + Ks
3、 1966年, K·Bosko研究了河流中生化作用得BOD衰减速度 常数Kd与实验室得数值Kc之间得关系:
水利工程试验检测ppt课件
;
二、干密度试验〔灌砂法）
图a
;
二、干密度试验〔灌砂法）
3〕将密度测定器竖立，灌砂漏斗口向上，关阀门，向灌砂漏斗 中注满标准砂，打开阀门使灌砂漏斗内的标准砂漏入容砂瓶内， 继续向漏斗内注砂漏入瓶内，当砂停止流动时迅速关闭阀门， 倒掉漏斗内多余的砂，称容砂瓶、灌砂漏斗和标准砂的总质量， 准确至5g。试验中应避免振动。 4〕倒出容砂瓶内的标准砂、通过漏斗向容砂瓶内注水至水面高 出阀门，关阀门，倒掉漏斗中多余的水，称容砂瓶、漏斗和水 的总质量，准确到5g，并测定水温，准确到0.5℃。重复3次，3 次测值之间的差值不得大于3mL，取3次测值的平均值。 （4〕容砂瓶的容积，应按下式计算：
;
二、干密度试验〔灌水法）
试坑尺寸〔表a）
;
二、干密度试验〔灌水法）
5〕记录储水筒内初始水位高度，拧开储水筒出水管开关，将 水缓慢注入塑料薄膜袋中。当袋内水面接近套环边缘时，将水 流调小，直至袋内水面与套环边缘齐平时关闭出水管，持续 3~5min，记录储水筒内水位高度。当袋内出现水面下降时， 应另取塑料薄膜袋重做试验。 （4〕试坑的体积，应按下式计算：
;
二、干密度试验〔环刀法）
■实验应按下列步骤进行： 1〕将环刀内部涂一层凡士林 2〕取尺寸大于环刀的土样，整平土样两端，将环刀刃口向下放在土样上。 3〕用切土刀沿环刀外围切削土样，并将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出 环刀为止，将环刀两端余土削去修平。 4〕擦净环刀外壁，称环刀和试样总质量。也可在天平放砝码一端放一等质量环 刀或与环刀等质量的砝码，直接称出试样质量。 5〕从剩余的土中取代表性土样测定土的含水率。（含水率测定应符合烘干法含 水率试验的要求） 6〕称量精确至0.1克，环刀容积精确至0.01cm³。
二、干密度试验〔灌砂法）
图a
;
二、干密度试验〔灌砂法）
3〕将密度测定器竖立，灌砂漏斗口向上，关阀门，向灌砂漏斗 中注满标准砂，打开阀门使灌砂漏斗内的标准砂漏入容砂瓶内， 继续向漏斗内注砂漏入瓶内，当砂停止流动时迅速关闭阀门， 倒掉漏斗内多余的砂，称容砂瓶、灌砂漏斗和标准砂的总质量， 准确至5g。试验中应避免振动。 4〕倒出容砂瓶内的标准砂、通过漏斗向容砂瓶内注水至水面高 出阀门，关阀门，倒掉漏斗中多余的水，称容砂瓶、漏斗和水 的总质量，准确到5g，并测定水温，准确到0.5℃。重复3次，3 次测值之间的差值不得大于3mL，取3次测值的平均值。 （4〕容砂瓶的容积，应按下式计算：
;
二、干密度试验〔灌水法）
试坑尺寸〔表a）
;
二、干密度试验〔灌水法）
5〕记录储水筒内初始水位高度，拧开储水筒出水管开关，将 水缓慢注入塑料薄膜袋中。当袋内水面接近套环边缘时，将水 流调小，直至袋内水面与套环边缘齐平时关闭出水管，持续 3~5min，记录储水筒内水位高度。当袋内出现水面下降时， 应另取塑料薄膜袋重做试验。 （4〕试坑的体积，应按下式计算：
;
二、干密度试验〔环刀法）
■实验应按下列步骤进行： 1〕将环刀内部涂一层凡士林 2〕取尺寸大于环刀的土样，整平土样两端，将环刀刃口向下放在土样上。 3〕用切土刀沿环刀外围切削土样，并将环刀垂直下压，边压边削，至土样伸出 环刀为止，将环刀两端余土削去修平。 4〕擦净环刀外壁，称环刀和试样总质量。也可在天平放砝码一端放一等质量环 刀或与环刀等质量的砝码，直接称出试样质量。 5〕从剩余的土中取代表性土样测定土的含水率。（含水率测定应符合烘干法含 水率试验的要求） 6〕称量精确至0.1克，环刀容积精确至0.01cm³。
河工模型试验资料
河工模型试验
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）
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）
【精品】水工结构模型试验资料
水工预应力闸墩结构模型试验资料华北水利水电学院目录1概述................................................ 错误!未指定书签。
1。
1工程概况...................................... 错误!未指定书签。
1。
2基本资料...................................... 错误!未指定书签。
1.3模型试验研究的目的和任务....................... 错误!未指定书签。
2模型设计............................................ 错误!未指定书签。
2.1模型设计的基本理论............................. 错误!未指定书签。
2.1。
1模型设计的基本理论...................... 错误!未指定书签。
2.1。
2模型试验的相似条件...................... 错误!未指定书签。
2。
2结构模型试验相似常数的确定.................... 错误!未指定书签。
2.3模型的简化..................................... 错误!未指定书签。
2.4模型结构详图................................... 错误!未指定书签。
3模型材料试验研究.................................... 错误!未指定书签。
3.1模型混凝土配合比试验研究....................... 错误!未指定书签。
3。
1.1模型混凝土最大骨料粒径的确定............ 错误!未指定书签。
3。
1.2模型试验材料的选择...................... 错误!未指定书签。
3。
1。
3试验仪器和试验方法..................... 错误!未指定书签。
第3章 河工模型试验汇总
3
➢ 满足水流连续性相似
时间比尺：
t
1/ 2 lh
➢ 紊流限制性条件 Re m 1000 ➢ 表面张力限制性条件 hm 1.5cm
14
3.2 变态定床河工模型
模型变态对水流运动相似的影响
➢ 在变态模型中得到同时完全满足阻力相似和 重力相似条件的糙率是困难的。
➢ 采用大变率的模型来研究流速分布问题是不 适宜的。
1、由于场地限制，取模型平面比尺为： l 500
2、河段浅滩最小水深为2.6m，枯水流速为1.24m/s，为保
证水流为紊流，并消除表面张力的影响，模型必须采用
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
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。
2、为了保证水流相似，模型应包括该浅滩河段的一个完 整的河型单元，试验河段全长约30km，河宽2~3.3km。
18
变态模型设计实例
模型设计
①研究切除岸嘴等河道整治措施 ； ②研究引航道减淤措施，优选口门布置形式； ③研究电站上下游流速、流态。
8
正态模型设计实例
试验方案及模型布置
1、由于河道中存在急弯、反坡、突然扩大，两岸存在 挑流基岩等，再加上建筑物的干扰，所研究的问题又是 有关水流结构的问题，为了保证水流相似，以采用正态 模型为宜。 2、为了保证峡谷段出口的水流相似，模型进口选在峡谷 段出口上游2km处，模型出口选在坝下游约6km处。据此， 模型范围定为9km 。
港航工程模型试验(三章1～6节)
动床模型 推移质动床模型 悬移质动床模型 全沙动床模型
第一节 概 述
一、河工模型的分类
河工模型不论动床或定床，均可分为正态与变态两 种。
正态模型——各个方向的长度比尺相同，几何形状 与原型完全相似。
变态模型——受（相似、场地、经费等）条件限制。 模型的几何相似的偏离。
（注意限制条件）
第一节 概 述
形对所研究的主要问题影响不大时。定床模型试验在理 论和实践上都比较成熟，结果可靠，目前应用十分广泛。
动床——研究水流、泥沙相互作用而引起的河床冲 淤变化问题。动床模型试验的理论和实践，虽然正在迅 速发展，但由于所研究的问题极为复杂，至今仍然不十 分成熟，有待进一步完善。
第一节 概 述
一、河工模型的分类
第一节 概 述
二、三维紊动水流运动相似的基本条件
紊动相似律
（3-11）
原型与模型由时均流速产生的惯性力之比，等于由脉 动流速产生的惯性力之比。
由于脉动惯性力就是紊动剪力，它消耗水流的能量， 对水流产生阻力作用。对于紊动水流，粘滞力可以忽略 不计，这个比尺关系式就可视为惯性力之比等于阻力之 比。
第一节 概 述
由曼宁公式
可得:
（3-36）
第二节 正态定床河工模型
一、正态定床河工模型设计
对正态模型，c 1，R＝n，代入上式有
（3-37）
由式(3-37)即可设计模型：
（3-38）
显然，如果制作的模型的糙率满足式(3-38)的要求， 那么也就实现了重力相似和阻力相似，所取的长度比尺 λl即是合理可行的。
第二节 正态定床河工模型
一、正态定床河工模型设计
须注意：曼宁公式是将水流作为一维流动考虑的。 对于三维流动而言，床面各部分糙率系数并不相等，而 模型设计要求相应部位糙率比尺均满足。
第一节 概 述
一、河工模型的分类
河工模型不论动床或定床，均可分为正态与变态两 种。
正态模型——各个方向的长度比尺相同，几何形状 与原型完全相似。
变态模型——受（相似、场地、经费等）条件限制。 模型的几何相似的偏离。
（注意限制条件）
第一节 概 述
形对所研究的主要问题影响不大时。定床模型试验在理 论和实践上都比较成熟，结果可靠，目前应用十分广泛。
动床——研究水流、泥沙相互作用而引起的河床冲 淤变化问题。动床模型试验的理论和实践，虽然正在迅 速发展，但由于所研究的问题极为复杂，至今仍然不十 分成熟，有待进一步完善。
第一节 概 述
一、河工模型的分类
第一节 概 述
二、三维紊动水流运动相似的基本条件
紊动相似律
（3-11）
原型与模型由时均流速产生的惯性力之比，等于由脉 动流速产生的惯性力之比。
由于脉动惯性力就是紊动剪力，它消耗水流的能量， 对水流产生阻力作用。对于紊动水流，粘滞力可以忽略 不计，这个比尺关系式就可视为惯性力之比等于阻力之 比。
第一节 概 述
由曼宁公式
可得:
（3-36）
第二节 正态定床河工模型
一、正态定床河工模型设计
对正态模型，c 1，R＝n，代入上式有
（3-37）
由式(3-37)即可设计模型：
（3-38）
显然，如果制作的模型的糙率满足式(3-38)的要求， 那么也就实现了重力相似和阻力相似，所取的长度比尺 λl即是合理可行的。
第二节 正态定床河工模型
一、正态定床河工模型设计
须注意：曼宁公式是将水流作为一维流动考虑的。 对于三维流动而言，床面各部分糙率系数并不相等，而 模型设计要求相应部位糙率比尺均满足。
河流水质模型PPT课件
x1 x1
C 0 Q q —河段起始端旁侧入流(支流或排污口)的i流1 量； x1
Q—上i 游1 来水的污染物浓度；
q—x 旁1侧入流的污染物浓度。
均匀混合模型适用于均匀河段，要求 足够小，否则会造成较大误差。
C i 1
C x1
x
第10页/共74页
李光炽
水质模型
5.3 一维BOD-DO水质模型
第27页/共74页
李光炽
水质模型
5.4 一维河流水质模拟
对于一条实际河流应用水质模型进行水质模拟和水质预测时，首先应对河流水量水 质的基本数据和资料进行如下分析和整理。 (1)河流的径流量。河流的径流量对稀释作用和自净能力有重要影响。天然河流的 径流量一般变化幅度较大，而污水流量变化幅度小，因而在河道的枯水季节，河流 的水质状况较差。
第4页/共74页
李光炽
水质模型
5.2 均匀混合水质模型(零维水质模型)
均匀混合水质模型是把一个水体，如一个河段，看作是一个均匀混合的反应器。假 定入流进入反应器后立即均匀分散，各水团完全均匀混合。其质量平衡方程为
V
C t
QC0
QC
S
r(C)V
式中 V — 反应器内水的体积；Q — 反应器入
流及出流流量；C0、C － 入流及反应器内污染物浓 度；r(C) － 反应器内过程的反应速率，与C有关；
F2 exp[ K 2 x / ux ]
第23页/共74页
李光炽
水质模型
上述式称Dobbins-Camp修正式。如果R＝O，P=O，则成为Thomas修正式；如果只 R=0，P=O，K3=O，则成为Streeter-Phelps基本模型。 同样可求解溶解氧的临界 距离xc：
河工模型试验
l p1 lm1 l p2 lm2 l pn lmn l
动态相似
即模型与原型的运动状态相似。模型与原型中任何相 应点的速度、加速度等必须相互平行且具有同一比例：
u p1 um1 u p2 um2 u pn umn u
及
a p1 am1
a p2 am2
a pn amn
a
河工模型试验的理论基础－相似论原理
动力相似
即模型与原型的作用力相似。模型与原型中作用 于任何相应点的力必须相互平行且具有同一比例：
f p1 f m1
f p2 f m2
f pn f mn
f
河工模型试验的理论基础－相似论原理
相似论原理的几点说明
三个相似是互为联系、互为条件，有主有从
表征动态的速度u和加速度a是流程l和时间t的函数 流程l系一种几何要素 动态相似与几何相似是不可分的，几何不相似的动态相似是不存 在的。 表征动力的各种性质的力f，则是质量ρ、长度l、加速度a或速度 u等的函数， 动力相似和动态相似及几何相似又是不可分的，几何、动态不相 似的动力相似也是不存在的。 总起来说三者是一个统一的整体，其中一个相似将为其它两个相 似提供前提条件，其中一个不相似也将排斥其他两个相似的存在， 对此必须有明确的认识。
p 常数 压力/惯性力 2 u
l u 1 v
u 2 1 u 2
或 或
Re
ul 常数 v
惯性力/粘滞力 惯性力/紊动剪力
u2 常数 u2
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
动态相似
即模型与原型的运动状态相似。模型与原型中任何相 应点的速度、加速度等必须相互平行且具有同一比例：
u p1 um1 u p2 um2 u pn umn u
及
a p1 am1
a p2 am2
a pn amn
a
河工模型试验的理论基础－相似论原理
动力相似
即模型与原型的作用力相似。模型与原型中作用 于任何相应点的力必须相互平行且具有同一比例：
f p1 f m1
f p2 f m2
f pn f mn
f
河工模型试验的理论基础－相似论原理
相似论原理的几点说明
三个相似是互为联系、互为条件，有主有从
表征动态的速度u和加速度a是流程l和时间t的函数 流程l系一种几何要素 动态相似与几何相似是不可分的，几何不相似的动态相似是不存 在的。 表征动力的各种性质的力f，则是质量ρ、长度l、加速度a或速度 u等的函数， 动力相似和动态相似及几何相似又是不可分的，几何、动态不相 似的动力相似也是不存在的。 总起来说三者是一个统一的整体，其中一个相似将为其它两个相 似提供前提条件，其中一个不相似也将排斥其他两个相似的存在， 对此必须有明确的认识。
p 常数 压力/惯性力 2 u
l u 1 v
u 2 1 u 2
或 或
Re
ul 常数 v
惯性力/粘滞力 惯性力/紊动剪力
u2 常数 u2
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
水工模型试验基础23页PPT
45、自己的饭量自己知道。——苏联
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
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第3章 河工模型试验
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
精品课件
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
5
长江南通河段物理模型
精品课件
6
正态模型设计实例
精品课件
7
正态模型设计实例
试验研究的内容
精品课件
8
正态模型设计实例
试验方案及模型布置
1、由于河道中存在急弯、反坡、突然扩大，两岸存在 挑流基岩等，再加上建筑物的干扰，所研究的问题又是 有关水流结构的问题，为了保证水流相似，以采用正态 模型为宜。
2、为了保证峡谷段出口的水流相似，模型进口选在峡谷 段出口上游2km处，模型出口选在坝下游约6km处。据此， 模型范围定为9km 。
枯水期： nm0.0212~0.0342
中洪水期： nm0.0214~0.0266
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。
精品课件
20
变态模型设计实例
2、为了保证水流相似，模型应包括该浅滩河段的一个完 整的河型单元，试验河段全长约30km，河宽2~3.3km。
精品课件
18
变态模型设计实例
模型设计
1、由于场地限制，取模型平面比尺为： l 500
2、河段浅滩最小水深为2.6m，枯水流速为1.24m/s，为保
证水流为紊流，并消除表面张力的影响，模型必须采用
➢ 采用大变率的模型来研究流速分布问题是不 适宜的。
➢ 采用变态模型来研究回流问题是不合适的。
精品课件
15
3.2 变态定床河工模型
变态模型的适用范围和条件
➢ 一维整体水流，即水位和断面平均流速相似 的问题。
➢ 对二维水流问题，在一定条件下也适用，如 地形较平缓顺直、河床较宽浅的平原河流。
➢ 关于变率的规定。
精品课件
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
1/2 l
10
3、流量比尺
5/2 Ql
100000
精品课件
10
正态模型设计实例
4、按阻力重力比相似要求： n l16 2.15 由此求得模型糙率为： 上游： nm0.0232~0.0371
相似条件
➢ 水流运动的相似——同定床模型
➢ 泥沙运动的相似
推移质运动的相似
悬移质运动的相似 异重流运动的相似 河床冲淤变形的相似
精品课件
l
3/2 h
➢
重力相似和阻力相似同时满足：n
12 23 lh
➢ 满足水流连续性相似
时间比尺： t lh1/2
➢ 紊流限制性条件 Rem 1000 ➢ 表面张力限制性条件 hm 1.5cm
精品课件
14
3.2 变态定床河工模型
模型变态对水流运动相似的影响
➢ 在变态模型中得到同时完全满足阻力相似和 重力相似条件的糙率是困难的。
t
1/ l
2
➢ 满足阻力相似
u
1
n
2 / 3 l
制性条件 Rem 1000
➢ 表面张力限制性条件 hm 1.5cm
精品课件
3
模型设计
➢ 实现阻力相似的方法——曼宁公式法和蔡克士大曲线法。
按曼宁公式法，糙率比尺应满足
n
1 6 l
➢ 模型加糙方法
颗粒无间距排列加糙（密排加糙）——经验公式
下游： nm0.0107~0.0186
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，进行小 范围的梅花加糙。
精品课件
11
正态模型设计实例
5、校核模型限制条件 模型最小雷诺数 R e m 1 1 .0 5 . 0 1 9 .7 1 1 1 5 5 1 0 0 0~ 2 0 0 0 模型最小水深 hm9.7cm1.5cm
5、流量比尺 Qlh3/2500000
6、校核模型限制条件 模型最小雷诺数 R em 2 .6 0 .0 1 1 2 .4 2 2 2 0 1 0 0 0~2 0 0 0 模型最小水深 hm2.6cm1.5cm
模型制成后，经过验证试验，表明有关水力要素模型 与原型基本相符。
精品课件
21
3.3 动床河工模型
某低水头水利枢纽，坝轴线处河身宽2600m，多年平均流 量达到14000 m3/s，实测枯水流量9150 m3/s时，平均水深9.7 m，平均流速1.15 m/s， 。进行定床河工模型试验的目的主 要为：
①研究切除岸嘴等河道整治措施 ； ②研究引航道减淤措施，优选口门布置形式； ③研究电站上下游流速、流态。
模型制成后，经过验证试验，表明有关水力要素模型 与原型基本相符。
精品课件
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
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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：u
1/ h
2
流量比尺：Q
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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
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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：
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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。
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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
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4
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5
长江南通河段物理模型
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6
正态模型设计实例
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7
正态模型设计实例
试验研究的内容
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8
正态模型设计实例
试验方案及模型布置
1、由于河道中存在急弯、反坡、突然扩大，两岸存在 挑流基岩等，再加上建筑物的干扰，所研究的问题又是 有关水流结构的问题，为了保证水流相似，以采用正态 模型为宜。
2、为了保证峡谷段出口的水流相似，模型进口选在峡谷 段出口上游2km处，模型出口选在坝下游约6km处。据此， 模型范围定为9km 。
枯水期： nm0.0212~0.0342
中洪水期： nm0.0214~0.0266
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。
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变态模型设计实例
2、为了保证水流相似，模型应包括该浅滩河段的一个完 整的河型单元，试验河段全长约30km，河宽2~3.3km。
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18
变态模型设计实例
模型设计
1、由于场地限制，取模型平面比尺为： l 500
2、河段浅滩最小水深为2.6m，枯水流速为1.24m/s，为保
证水流为紊流，并消除表面张力的影响，模型必须采用
➢ 采用大变率的模型来研究流速分布问题是不 适宜的。
➢ 采用变态模型来研究回流问题是不合适的。
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15
3.2 变态定床河工模型
变态模型的适用范围和条件
➢ 一维整体水流，即水位和断面平均流速相似 的问题。
➢ 对二维水流问题，在一定条件下也适用，如 地形较平缓顺直、河床较宽浅的平原河流。
➢ 关于变率的规定。
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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
1/2 l
10
3、流量比尺
5/2 Ql
100000
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10
正态模型设计实例
4、按阻力重力比相似要求： n l16 2.15 由此求得模型糙率为： 上游： nm0.0232~0.0371
相似条件
➢ 水流运动的相似——同定床模型
➢ 泥沙运动的相似
推移质运动的相似
悬移质运动的相似 异重流运动的相似 河床冲淤变形的相似
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l
3/2 h
➢
重力相似和阻力相似同时满足：n
12 23 lh
➢ 满足水流连续性相似
时间比尺： t lh1/2
➢ 紊流限制性条件 Rem 1000 ➢ 表面张力限制性条件 hm 1.5cm
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3.2 变态定床河工模型
模型变态对水流运动相似的影响
➢ 在变态模型中得到同时完全满足阻力相似和 重力相似条件的糙率是困难的。
t
1/ l
2
➢ 满足阻力相似
u
1
n
2 / 3 l
制性条件 Rem 1000
➢ 表面张力限制性条件 hm 1.5cm
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3
模型设计
➢ 实现阻力相似的方法——曼宁公式法和蔡克士大曲线法。
按曼宁公式法，糙率比尺应满足
n
1 6 l
➢ 模型加糙方法
颗粒无间距排列加糙（密排加糙）——经验公式
下游： nm0.0107~0.0186
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，进行小 范围的梅花加糙。
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正态模型设计实例
5、校核模型限制条件 模型最小雷诺数 R e m 1 1 .0 5 . 0 1 9 .7 1 1 1 5 5 1 0 0 0~ 2 0 0 0 模型最小水深 hm9.7cm1.5cm
5、流量比尺 Qlh3/2500000
6、校核模型限制条件 模型最小雷诺数 R em 2 .6 0 .0 1 1 2 .4 2 2 2 0 1 0 0 0~2 0 0 0 模型最小水深 hm2.6cm1.5cm
模型制成后，经过验证试验，表明有关水力要素模型 与原型基本相符。
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21
3.3 动床河工模型
某低水头水利枢纽，坝轴线处河身宽2600m，多年平均流 量达到14000 m3/s，实测枯水流量9150 m3/s时，平均水深9.7 m，平均流速1.15 m/s， 。进行定床河工模型试验的目的主 要为：
①研究切除岸嘴等河道整治措施 ； ②研究引航道减淤措施，优选口门布置形式； ③研究电站上下游流速、流态。
模型制成后，经过验证试验，表明有关水力要素模型 与原型基本相符。
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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
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3.2 变态定床河工模型
相似条件
➢ 满足重力相似
流速比尺：u
1/ h
2
流量比尺：Q