第3章河工模型试验
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
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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：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。
河道变态模型模拟方法
得不到流速分布 的相似。 变态模型终究是一种近似方法。 可见， 为使模型结 果尽可能接近真实 ， 应限制 ‘ 不要太大， 根据萨巴涅也夫的研究证实， 在变 率不超过 ５ 湿周 比尺可认为等于横向比尺 ， 时， 从而 ＝Ｏ， ｆ ｔ 。
３、关键 问题
模型与原型糙率相似是变态模型 中的一个关键问 。 题 在变态模 横向与垂直方 向比尺不同的变态模型。 一般天然河道 中的水流都 处于紊流的阻力平方区 ， 在模型试验时 ， 由于 比尺缩小 ， 模型水流达不到阻 力平方区 ， 而可能处于层流或过渡区。 又常常因场地限制 ， 不可能将线性 比 尺取得过小。 所以要达到 阻力相似 ， 就必须使模型与原型雷诺数相等， 这 在一般满足重力相似的模型中是难于实现的。 为此 ， 在模型设计 中， 将纵 、 横向线性 比尺和垂 向比尺取不同数值 ， 这样模 型雷诺数可增加 ， 使其达到 阻力平方 区。 同时 ， 这种模型变态后 ， 模型水深增加 ， 也可避免表面 张力 的影响Ｊａ ｌ Ｊ 泥沙 比重 比尺和泥沙粒径 比尺等的变态 。 在河工模型、 水库淤积等试 验以及研究河道冲淤整治等问题时 ， 原型泥沙粒径很小 ， 再按几何 比尺缩
般是 ＜ ， 因此地形变陡， 对模型中的平原区可能引起Ｌ 加大， 捌 ｖ 加
大， 对山区则可能引起 下降（ 增大）所以必须调整糙率 ， ， 使水流整体上 相 似ｌｏ ２ 】 按照比尺关系式（１， １ ）并引用曼宁公式 ， 则糙率系数 比尺为 ＝ ＝ ＝ （： ・）
具有变态率 《的变态模型与正态模型（ ＝１ Ｅ ）相比， 其长、 宽都只有后 者的 １ ／｛，而面积只有后者面积的 ｌ ，这就经济得多 了。 ／｛ 为得到变态河渠模型的相似律 ， 我们从明渠恒定非均匀流的基本微分
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。
河工模型试验
河工模型试验的理论基础-相似论原理
3.
单值条件的确定
对三度水流来说： 模拟的试验河段一般由进口段、试验段和出口段三部分组成。前后两段具有过 渡段性质，用来调节进出口水流，不作试验段用。进口段长度应根据每个模 型试验的具体情况确定。一般建议在水流平顺进入模型的情况下，进口段长 度不应小于25~50倍水深，应结合河床形态及水流流态加以考虑，在可能条 件下最好能包括一个河相单元(例如一个弯道或直道的一个完整的水下边滩)， 以保证试验段进口断面的流速场能符合实际情况。如果限于条件，进口段长 度不够，就只有在试验过程中，采取调整水流的人工措施。出口段长度可以 较进口段长度稍短，但尾门布置也要注意，以免影响出口段的水流相似。
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
(1)几何相似 (2)动态相似 (3)动力相似
三个相似特征
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：
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。 河工模型由于周界形式复杂，且河床经常变化，在理论和实践上 都远较一般水工模型复杂。尽管河工模型试验已有近百年历史， 但至今还存在不少问题，有待进一步改进。 河工模型试验既可以采用定床，也可以采用动床。模型水流为清 水，河床在水流作用下不发生变形的模型称之为定床模型。模型 水流挟带固体颗粒，河床在水流作用下发生变形的模型称为动床 模型。定床模型也称为水流模型，动床模型也称为泥沙模型。
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]。
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h2/3 4、按阻力重力比相似要求： n 1 2 0.96 l
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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： 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。
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
1/ 2 10 2、按惯性力重力比相似要求： u l
3、流量比尺
Q l5/ 2 100000
10
正态模型设计实例
16 4、按阻力重力比相似要求： n l 2.15
由此求得模型糙率为：
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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 变态。综合考虑后选定变率为5，即取 h 100
1/ 2 3、按惯性力重力比相似要求： u h 10
21
颗粒无间距排列加糙（密排加糙）——经验公式
16 n 0.0133 d 天科所公式：
张有龄公式： n 0.0166d
16
密排加糙后模型有效水深与实际水深的关系为：
h h (0.2 ~ 0.3)d
颗粒有间距排列加糙（梅花加糙）——须做预备试验
4
5
长江南通河段物理模型
6
正态模型设计实例
上游： 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 Rem 11.5 9.7 11155 1000 ~ 2000
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。 采用变态模型来研究回流问题是不合适的。
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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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变态模型设计实例
5、流量比尺
Q l h3/2 500000
Re m 2.6 12.4 2220 1000 ~ 2000 0.01
6、校核模型限制条件 模型最小雷诺数 模型最小水深
hm 2.6cm 1.5cm
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。
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。
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。
7
正态模型设计实例
试验研究的内容
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。
满足重力相似 1/ 2 流速比尺： u h
3/ 2 l h 流量比尺： Q
1 2 2 3 重力相似和阻力相似同时满足： n l h
满足水流连续性相似
1/ 2 l h 时间比尺： t
紊流限制性条件 Re m 1000 表面张力限制性条件 hm 1.5cm
1/ 2 时间比尺： t l
满足阻力相似
u
1
n
l2 / 3
以上两项同时满足时
n l1 6
hm 1.5cm
紊流限制性条件
Re m 1000
3
表面张力限制性条件
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 l1 6 模型加糙方法
第3章 河工模型试验
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 Nhomakorabea
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
2
3.1 正态定床河工模型
相似条件
满足重力相似 1/ 2 /2 流速比尺： 流量比尺： Q 5 u l l
0.01
模型最小水深
hm 9.7cm 1.5cm
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。
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
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 。