常规水力学模型试验中的缩尺效应问题

护 长 江 科 学 院 院 报�� � � � � � � � � � � � ��� � �� � � � ��� � ����� � � ��� � � � �� ����� �� � � � � � � � � � �� � � � � � � �期月��卷年第� 常规水力学模型试验中的缩尺效应问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 饶 冠 生 �宜昌实验研究所 � 摘 要 本文根据丹江口水利枢纽泄洪探孔的模型试验成果和原型观测资料 , 对常规水力学模型 试验中的缩尺影响间题进行 了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 研究 。 通过原 、 模型成果资料的对比分析表明 � 水流基本特性 , 诸如 � 水流边界上的压力特性 , 泄水建筑物的泄流能力等 , 可以通过按佛劳德相似准则 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的模 型试验得以预见 。 而高速水流造成的水雾现象 , 模型上难以反映 。 其次 , 由于裂隙发育的岩基河床 的构造特性在模型 �上难以模拟 , 因而坝下游河床冲刷坑的位置和冲刷坑形状无法通过模型试验预 测 。 关键词 常规水力学模型试验 � 模型试验 � 原型观测 � 缩尺效应 � 相似准则 � 常规模型设计中的相似性问题 从理论上说 , 水力学模型试验中 , 要达到模型状态与原型实际完全相似 , 就必须满足模 型 与原体几何相似 �即形状相似 � 、 运动相似 �即水流速度相似 � , 以及动力相似 �即水体上的 所有作用力相似 � 。 前两个相似条件是比较容易满足的 , 而要做到完全动力相似就很困难 。 在 实践中 , 常常采用只考虑其中的主要作用力 , 而忽略一些不发生影响或影响甚微的次要作用 力 。 因此 , 模型试验的预测精度势必受到未经正确模拟的次要作用力的影响 。 目前 , 在常规 水力学模型的设计中 , 多遵循 �� �� �� 定律 �即重力相似准则 � , 即在作用于水体上的诸力中 , 主要考虑重力作用 。 认为 � 只要流体处于阻力平方区 , 即雷诺数 凡 足够大时 , 粘滞力影响可 以忽略不计 。 至于表面张力等其它作用力的相似性影响 , 则根据经验 , 在选取模型缩小比例 时加以考虑 。 根据上述方法进行的水力学模型试验 , 所得的成果资料预测原型的精度如何 � 缩尺影响 多大 � 是人们非常关心的问题 。 为此 , 国际水力学研究协会物理模型试验技术部于 �� ! 年 、 �� � � 年 、 �� � � 年 、 � � � � 年 , 针对不同领域的水力模拟 问题组织召开 了一 系列学术会议 。 本 文是作者根据工程实践经验 , 为 � � � � 年 �� 月在武汉召开的《天然和试验室水力学研究国际 会议 》所撰写 的学术论文加工改写而成 。 � 水力学模型试验研究与原型观测验证 丹江 口 水利枢纽位于长江的主要支流汉江的中游 。 它是一座具有防洪 、 发 电 、 航运 、 灌 溉等综合效益的大型水利水电工程 。 其主要经济指标见表 � 所列 。 工程总体布置见图 � 所示 。 泄洪深孔剖面见图 � 所示 。 丹江 口水利枢纽于 � � � 年 � 月动工兴建 。 � � � � 年 �� 月开始蓄水运用 。 �� � � 年底第一期 长江科学院院报 � �� � 年 卜卜 一 ���一一千袭旨希器器工工, 圆圆厅厅厅厅厅厅厅厅厅厅厅, � ”份, , , 甲������ 一� , 叫肚� ��������������������������������� 二二二二 � �………‘毕黑望望‘‘‘已已 二 , 二 , � ………刀刀竹� 而肠轰轰封封铲铲铲铲铲铲铲二二二二二二二二二二二口口������� 闷闷 注 � � 汉江 � � 上游锚桩 � � 浮式导航堤 � � 深孔溢流坝段 � � 表孔溢流坝段 � � 表孔溢流坝段 � � 厂房坝段 � � 上游挡 水墙 � � 临时挡水墙 � � 护坦 � � 上游纵向围堰 � � 下游纵向围堰 � � 厂房 � � 升船机 , � 中间渠道 � � 导航堤 图 � 丹江口工程总体布置 司灿区峪一一一一 � 一一’二 , 、 ,�二 、 二期下程、 广一州厂� 一、了 �棍扣甜又� 五� ��成 �翻 嘴 � � 、、 、� 一 、 一 万 一 垅 。� 巧 � 只, 一 � , ,咬句了�抢巴汉 ���、 � 一一协协 丫户� 下下尸一一, , 罗一一一叮尸一 , 一 �甲 ���而而希语一书一一山一一边� 确‘之之 图 � 丹江日水利枢纽深孔测点布置图 第 � 期 饶冠生 常规水力学模型试验中的缩尺效应问题 表 � 丹江 口工程主要指标 项项 目目 二期开发发 一期开发发 水水水 正常库水位 �� ��� � � � � ��� � � ��� 位位位 设计洪水位 �� ��� � � � � ��� � � � � ��� 最最最大洪水位 �� ��� � � � ��� � � � � ��� 泄泄泄洪控制水位�� ��� �� � � ��� � � � � � � � � � � ��� 库库库 总库容 �亿 � ���� � �� � ��� � � � � ��� 容容容 防洪库容�亿 � � ��� � � � ��� � � � ��� 有有有效库容�亿 � “��� � � � � ��� � � � ��� 坝坝 顶 高 程 �� ��� � � � � ��� � �� � ��� 流流流 千年一遇洪水�� “�� ��� � � � � ��� � � � ��� 量量量 万年一遇洪水 �� � �� ��� � � ! !!! � � � � ��� ����� � ! 年洪水 �� � � � ��� � � � � ��� � � �� �� � � � � ��� 工程全部完成 。 为了配合工程的设计和施工 , 分别 在各种不同功能的缩尺模型中对实际运 用情况进行了预测 。 工程建成投入运转 后 , 又 系统进行 了各项参数的原型观 测 , 取得 了非常宝贵的资料 。 � � � � 年 , 又对 已运用的工况在重新制作的 � � �� 缩尺模型中进行了复演 。 现将主要观测 试验情况分项介绍如下 � � � � 水流边界上压力特性的原型与模 型对比分析 泄洪深孔压力段和溢流分槽中 , 时 均压力模型试验成果和原型观测资料见 表 � 、 表 � 。 成果资料的对 比分析情况表 明 � ��� 原型压力进 口段顶部中心线上 的时均压力 , 随水库水位的升高而上升 。 在相同水库水位条件下 , 则随闸孔开度的加大而下 降 。 最小压力发生在压坡段尾部 。 当水库水位为 � �� � �� � 时 , 原型测得 的最 小压力为 �� � � �� � , 模型最小压力为一 � · �� �� , 均出现在 � 王。测点 。 原型与模型的压力分布特性和变化趋势 基本相同 。 原型实测值与模型值基本相同 。 顶部隅角部位的压力 , 原型与模型亦基本一致 。 表 � 时均压力试验成果 资资料料 观测测 水库库 闸门门 时均压力�� �� ��� 时时时间间 水位位 开度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度���������年 、月��� �� ����� 压力段顶部中心线线 隅 角角 堰 面面米米冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻冻 ����������� ��� � ��� � 。。 �一。。 � ���� � � ��� � ��� ���� � ��� � ��� 原原型型 � � � � � � � ��� � � � � � ��� � � ��� � � � � � ��� � � � � ��� � � � � ��� � � � � ��� � � � , ��� � 只只� ��� � � ��� � � � ��� � � ��� � , ��� 原原型型 � � ! � � ��� � � � � ��� � � ��� � � � ��� � � � ��� � � ��� � � � � ��� � � � ��� � �� � ��� � � ��� � � � ��� � � � ��� � � � ��� 原原型型 � � � � � � ��� � � ! ∀ ### 全开开 28.444 28.444 12.888 13.777 17.777 21.666 37.333 40.222 104.000 34.333 模模型型 1966.2... 135.7000 /宝 r 亡亡 4 6 . 666 3 1 . 44444 2 . 333 7 . 444 2 . 999 4 2 . 222 3 4 。 3333333王王王王王刀 ,,,,,,,,,,,, 模模型型 1980.8... 135.8000 ^ 〕一rrr 2 4 . 555 9 . 888 2 2 . 666 0 . 000 一1 0 , EEE 2 . 000 3 4 , 333 3 7 . 333 1 2 3 . 666 4 3 . 222」」」」」三少lllllllllllllllllllllll 模模型型 1966 , 2 ... 1 3 6 . 5 444 产、 】亡亡 4 5 . 888 3 0 . 444 1 4 . 777 一 1 0.888 1 1.88888 27 .555 35. 333 113 .888 3 4. 222」」」」」匕少....................... 原原型型 1979.9... 156.2000 入 , , ... 9 4 . 222 8 2 . 444 4 7 . 111 1 0 . 888 2 3 . 55555 1 6 . 777 5 4 . 999 1 9 7 . 22222」」」」」三〕】】】】】】】】】】】】 模模型型 1966.2... 150.5000 2、 .rrr . 1 0 7 . 999 8 4 . 44444 4 。 999 1 9 . 666 3 . 999 3 1 . 444 4 0 . 2222222上上上上上 夕lllllllllllllllllllllll 模模型型 1980.8... 156.2000 人 一 「rrr 7 5 , 55555 5 4 . 000 一1 .00000 2. 000 12 .888 22 .777 184 .444 61. 888」」」」」 二夕lllllllllllllllllllllll 注 :试验模型的比尺均为 36 ( 2) 原型溢流明槽底部中心线上的时均压力 , 随水库水位的升高而下降 ; 在相同水库水 位条件下 , 则随闸孔开度的加大而升高 。 具有与模型基本一致的分布特性 。 原型实则值与模 长江科学院院报 1993 年 型值也非常吻合 。 当水库水位为 156 .20m 时 , 原型测得的最小压力为17k Pa 。 摸型最小压力为 12· s k p a 。 均出现在 PZ测点 。 ( 3) 泄洪深孔溢流边界压力脉动观测试验成果对比分析 可知 : 原型实测值 与模耳q值按 币 力相似准则关系换算所得 的原型值有较大的误差 。 表 3 脉动压力试验成果 水水库库 单 孔孔 资料料 测测 平均振幅幅 最大振幅幅 相对平均振幅幅 平均峰值频率率 水水位位 流 量量 来源源 点点 jjj 尹 = 9 9 %%% 川华华 fff(((m))) (m3/s))))) 号号 (m ))) (m ))) 一 ’ 2 999 ( H z ))) ((((((((((((((( % ))))) 111 5 6 . 222 8 0 555 原原 P222 0.3555 0.6666 1.0222 1.0555 型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型型 PPPPPPPPP333 0 .2111 0.6000 0 5777 0.3000 PPPPPPPPP 难难 0 . 1 111 0 . 2 999 0 . 2 999 0 . 4 DDD 111 5 6 . 222 8 0 555 模型型 P222 0.0666 0.1555 0 , 1 777 0 . 3 000 PPPPPPPPP 333 0 . 0 777 0 . 1 444 0 . 2 222 0 . 4 000 PPPPPPPPP 吸吸 0 . 1 111 0 . 2 666 0 . 3 777 0 . 3 000 ƒ日„叫国 2 . 2 泄洪深孔泄流能力原型与模型比较 确定泄洪深孔泄流能力的主要参数是 : 压力管段 出 口断面的压力水头和有效过水断 面积 。 而影响上述参数的水力因子为 : 上游水 位 (即重力作用因素) 、 阻力损失 (即阻力作用 因素)等 。 在按重力相似准则设计的水力学模 型中 , 只要选取合适的缩小比例 , 其泄水能力 的预测精度是可以得到保证的 。 为了验证模 型试验成果 , 在工程投入运转后 , 搜集整理了 原型实际泄流能力资料 。 所得水位~ 流量关 系见图 3所示 。 从水位一流量关系曲线图可以 看出 , 原型实测值与模型值非常吻合 。 盆 原型资料 0 1而 200 300 400 500 600 700 800 f钊n州…引†nIJ八日们钊八O尸J力住‘八n,自, ...上11山.工J‘1‘.工1 Q 孔 ( m 3 / s ) 图 3 深孔泄水能力曲线 2 .3 泄洪深孔挑流消能特性原型与模型对比分析 当泄水建筑物的出流采用挑流方式消能时 , 挑流水舌特性是确定工程总体布置的 一个重 要参数 。 而影响挑流水舌特性的主要因素 , 除鼻坎断面的作用水头 、 出流挑射角度 , 以及射 流出坎后的跌落高度外 , 出流扩散掺气情况也是 一个不可忽略的因素 。 丹江 口泄洪深孔 , 在 设计施工阶段 , 对其挑流水舌特性作过模型试验 。 工程投入运转后 , 又实测了各种工况下的 挑流水舌资料 。 观测试验成果见图 4 和表 4 。 原型与模型成果资料对 比分析可见 :相同运行工况的水舌外缘轨迹 , 两者相差不多 , 原 型实测值稍大于模型值 。 而水舌内缘轨迹 , 在原型中由于出流水雾的遮盖而无法测出。 分析 原型与模型差异的原因 , 主要是原型水流扩散掺气现象在模型中未能发生 。 原型风力作用在 模型中亦未能反映 。 第 3 期 饶冠 生 常规水力学模型试验 中的缩尺效应问题 库水位 156.9 m n曰n们门”翻0,‘,土八Uod (日)泌坦 80知60 10 0 15 0 从鼻坎起算距离 (m) 图 4 挑流水舌轨迹及下游冲刷坑剖面 表 4 挑流水舌观测成果 水水库库 类 别别 鼻坎单宽宽 鼻坎断面面 鼻坎挑射射 水舌外缘缘 水 舌跌落落 流能比比 水水位位位 流 量量 水 头头 角 度度 挑 距距 高 度度 *一 。/( 份丁 · 矛矛 (((m ))))) qqq SSS aaa L外外 aaaaa ((((((( m 3 / s · m ))) ( m ))) ( O ))) ( m ))) ( m ))))) 111 4 1 . 0 777 原型型 88.000 28.3000 3000 51.222 9.999 0.18777 模模模型型 88.0000 26.7777 3000 46.000 8.222 0.20333 11151.5333 原型型 106.5777 37.0333 3000 68.000 11.000 0.15111 模模模型型 106.5777 36.8666 3000 59.555 10.555 0.15222 11156.9111 原型型 115.4333 42.4111 3000 72.000 11.888 0.13333 模模模型型 115 4333 42 2666 3000 65、 555 1 1 . 888 0 . 1 3 444 111 5 7 . 4 111 原型型 116.0000 42.4111 3000 71.000 12.000 0.13444 模模模型型 116 0000 42.0333 3000 66.QQQ 12.222 0.13666 挑射水流对下游岩石河床的冲刷破坏问题 , 影响因素是极其复杂的 。 岩石构造特性的影 响远比水力因素的影响难以确定 , 并尤为重要 。 丹江 口 泄洪深孔下游河床的冲刷问题 , 在工 程设计施工阶段即进行过模拟试验 。 模型冲刷河床用根据实际破碎岩块的抗冲性能选定的松 散碎石铺筑而成 。 在工程投入运转后 , 历次泄洪后均施测了河床局部冲刷破坏情况 , 积累了 较系统的原型观测资料 。 并于 1974 年春 , 进行了冲刷坑的抽水检查 。 观测试验成果见 图 5、 表 5 所示 。 比较分析原型和模型观测试验资料可知 : 对相 同运行工况的最大冲刷深度而言 , 原型实 测值与模型值之间的吻合程度是令人满意的 。 而冲刷坑的形状 , 原型与模型完全不 同 。 原型 冲刷坑是沿河床岩体断层破碎带形成和发展的 , 形状非常不规则 。 而均质松散碎石铺筑成的 模型河床形成的冲刷坑形状很规则 。 长江科学院院报 1993 年 表 5 挑流水力参数值 资资料来源源 观测时间间 库水位位 尾水位位 单宽流量量 冲刷坑高程程 挑距距 最大冲刷深度度 (((((年))) (m ))) (m ))) (m 3/s · m ))) ( m ))) ( m ))) ( m ))) 原原 型型 196 8~ 1 97222 15 0. 3777 9 2. 2555 10 6. 0000 6 2. 0000 1 13. 000 2 9. 4555 1111197 333 15 6. 7555 9 2. 0000 1 14 .8 000 6 5. 0000 1 14. 000 27 . 0000 111119 7444 15 7. 7000 9 6. 9222 1 16. 4000 5 8. 2000 1 15. 000 3 0. 7222 1111197 555 15 6.9 888 9 7. 0555 1 15 .7 000 5 7. 2000 1 35. 000 3 9. 0555 111119 7999 15 6. 2000 9 3. 1555 1 14. 0000000000 模模 型型 195888 173.0000 101.0000 128.5000 62.000 135.000 39.000 1111195888 170.0000 100.6000 125.0000 59.000 125.000 41.666 1111195888 161.9000 102.1000 114.5000 65.555 110.000 36.666 1111195888 158.0000 100.6000 108.5000 64.000 110.000 36.666 1111195888 157.3000 96.5000 106.0000 58.000 110.000 38.555 1111195888 1峨9. 0000 9 3. 9000 100 . 0000 62. 000 85 . 000 3 1. 999 1111195 888 13 0. 0000 9 1.9 000 78 .0 000 70. 000 7 0. 000 21. 999 3 模型预测原型的精度分析 从本文前章的叙述可知 , 目前为工程建设需 要所制作的水力学试验模型中 , 大多数是按重力 相似准则进行设计的 。 即考虑原型与模型的动力 相似问题时 , 对水流的作用力主要考虑重力和阻 力 。 对其它的次要作用力予以忽略 。 以此所得到 的试验成果换算成原型值时 , 势必产生误差 。 本 章根据实际工程资料 , 对常用 比例尺水力学模型 的预测精度提出了如下初步认识 : (l) 从丹江 口泄洪深孔溢流边界上压力特性 观测试验资料分析可知 :按重力相似准则设计的 水力学模型 , 溢流边界上的时均压力 , 原型实测 泄泄泄洪深孔孔孔 分分 护坦坦……嘟嘟知知 图 5 下游冲刷坑地形图 值与模型值的吻合程度是令人满意的 。 而脉动压力特性 , 模型预测值与原型的实际情况存在 较大误差 , 其幅值与频率的相似关系均有待进一步探讨 。 究其原因是 :影响压力脉动的因素 中 , 高速水流产生的特有现象 , 如 : 掺气 、 空化等 , 在小比尺模型中不能反映 。 ( 2) 从丹江 口泄洪深孔的泄流能力的模型试验成果和搜集到的原型实际运行资料的对 比 分析可见 , 模型值与原型值基本相 同 。 这个结论 , 同样为长委会设计的鸭河 口 、 杜家台分洪 工程 、 荆江分洪工程 、 葛洲坝等工程资料所证实 。 ( 3) 从丹江 口泄洪深孔的挑流消能特性成果资料分析可知 , 挑流水舌和下游河床的冲刷 第 3 期 饶冠生 常规水力学模型试验中的缩尺效应问题 破坏 , 原型实际情况与模型不完全相同 。 究其原因 , 主要是原型水流的扩散掺气现象和风力 作用 , 模型 _L 未能反映 ; 另原型岩石河床的断裂破碎等构造特性在模型上未予模拟 。 从成果 资料的比较中发现 :根据原型岩石河床破碎带的抗冲能力选用松散 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 铺成的模型河床 , 试 验所得的最大冲刷深度与原型相同工况的最大冲刷深度基本相同 。 综上可见 , 对实际工程岩 石河床的局部冲刷破坏的模型预测方法 , 有待进一步探讨完善 。 参 考 文 献 1 Ra o Gua nsheng , ( 1 9 9 2 ) . “ S t u d y o n S c a 1e E f f e e ts in C o n v e n t io n a l H y d a u lie M od e is ,, . P r欧ed in邵 of lnte rn ational S ym po ium on H y drau lic Re se arch in N atu re an d La borator y . W uha n , C h i n a 2 饶冠生. 丹江口水利枢纽泄洪深孔水力学原型观测及模型复演试验综合 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 . 长江科学院. 1980.10 3 长江科学院. 丹江口水利枢纽科研成果汇编(水力学专业).1990.6 S tu d y o n S e a le E f fe e t in C o n v e n tio n a l H y d r a u lie M od e ls R ao G uansh eng (H y draulie R eseaeh D ePt. ) A bs traet T his Pape r Prese n ts the inform ations related to the m od el tests and the Protot ype obo ervations of the D an jian gkou Proje ct high he 叭 bo tto m outic t. AC cording to the find ings , s c a le e f f e e t is as s e sse d . B y c o m 琳ring the m od el test resu lts w ith the field data colleeted from th e D anjian kou Project high head bo ttom outlet , i t e a n be d e m o n s t r a t e d t h a t i n c o n v e n t i o n a l h y d r a u l i e m ed e l s , n a m e l y t h e s e a l e m ed e l d e s i g n e d a e e o r d i n g t o t h e F r o u d e S i m i l a r i t y C r i t e r i a , t h e P r e ssu r e e h a r a e t e r i s t i es o f t h e w a t e r f l o w o n f l o w bo u n d a r y , t h e d i s e h a r g e e a 琳eity and 50 on m ay be Predieted by seale .m od el tests· B u t t h e s 琳ry aPpe aran ee eause d by high veloc ity flow ean not be rePlicated on seale m od els. Se eond ly , be e a u s e o f t h e s t r u e t u r e e h a r a e t e r i s t i e s o f t h e r oc k a n d t h e f i ss u r e s e a n n o t be s i m u l a t e d o n s e a l e m od e l , 5 0 t h a t l oc a t i o n a n d s h a pe o f t h e s c o u r P i t a l s o e a n n o t be P r e d i c t e d b y s e a l e m od e l t e s ts . e o n v e n t i o n a l h y d r a u l i e m od e l ; m od e l t e s t ; P r o t o t y pe o 比ervation ; seale effeet; sim ilarity Ctiteria