水力模型試驗

水力模型試驗

水力模型試驗,在模型中重演(或預演)與原型相似的水流現象以觀測分析研究水流運動規律的手段(見彩圖)。又稱水工模型試驗,是實驗水力學的主要內容。當原型水流由於各種原因不能直接進行量測,普遍的理論模式和簡單概化的實驗又不能反映複雜的水流情況時,就須製作專門的模型,進行試驗。19世紀末葉開始了近代的有科學依據的模型試驗,20世紀得到長足的發展和廣泛的套用。

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模型試驗中,水流被縮小(或放大)了若干倍,而其幾何形態、運動現象、主要動力特性,卻仍應與原型相似。同一模型中不同物理量(如深度、流速、壓強等)的縮小倍數(即比尺)並不相同,但它們之間必須保持一定的比例關係。這關係不能任意設定,而必須服從由基本物理方程或因次分析所導出的相似準則。例如,為保持重力相似,要弗勞德數 水力模型試驗相等;黏滯力相似,要雷諾數Re=vl/ν相等;浮力相似,要理查孫數水力模型試驗相等。式中v、l、ν、ρ 和g分別為流速、特徵長度、運動黏滯係數、密度和重力加速度。為服從弗勞德相似準則,Frm=Frp,式中m、p各表示模型、原型,應使水力模型試驗這就是不同物理量的比尺之間應保持的關係。如果想使模型達到嚴格相似,往往要求遵循數個相似準則,這是難以做到的,只能根據水流特性、研究目的和試驗條件而選定最主要的準則,以保持主要方面的相似,並使次要方面的影響限制在可容許的範圍之內。這些都是模型相似理論所探討的內容。
在模型中觀察水流現象、量測水力要素、並按相似律推算引伸,就可了解或預見原型水流的運動規律,據以修改河渠、管道、水工建築物或水力機械的工程設計。試驗模型有下列幾種分類:①按試驗空間範圍分為斷面模型和整體模型;②按幾何形狀分為正態模型和變態模型;③按固體邊界情況分為定床模型和動床模型;④按水流單相或多相分為清水模型、渾水模型或摻氣模型;⑤按研究對象分為管、渠、 建築物、 機械等以外,還有研究多孔介質中流動的滲流模型、研究波動的波浪模型、研究空化的真空模型等。
進行模型試驗,需有專門的試驗設施,如循環系統、試驗水槽、水洞、生波器、減壓箱等,還要配置各種量測儀表以及記錄和數據處理設備。
現代的計算手段,可代替一部分簡單的水流模型試驗,但模型試驗仍是不可缺少的研究手段,而且將日益發展進步,二者互相驗證補充,互相結合提高。
參考書目
 左東啟等編著:《模型試驗的理論和方法》,水利電力出版社,北京,1984。
 水利水電科學研究院、南京水利科學研究院編:《水工模型試驗》,水利電力出版社,北京,1985。

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