氣流模型試驗(yàn)

氣流模型試驗(yàn)的專門設(shè)備是風(fēng)洞。全世界為各種目的建成的風(fēng)洞至今已超過300座。風(fēng)洞的大小不等，大的可以使飛機(jī)、兵器、車輛、風(fēng)力機(jī)械等原型實(shí)物直接置于風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，小的則可以將風(fēng)洞置放于一張寫字臺(tái)上。依據(jù)風(fēng)洞內(nèi)可達(dá)到的氣流速度（即風(fēng)速）大小，有高速風(fēng)洞與低速風(fēng)洞之分。低速風(fēng)洞常指馬赫數(shù)（指氣流速度與氣體中音速之比數(shù)）小于0.3或0.4的風(fēng)洞，也稱作亞音速風(fēng)洞，高速風(fēng)洞常指馬赫數(shù)大于0.4的風(fēng)洞。在低速風(fēng)洞中氣流的壓縮性一般不影響分析。高速風(fēng)洞主要用于超音速飛機(jī)、高速飛行器、兵器等的試驗(yàn)研究。低速風(fēng)洞主要用于航窄器、風(fēng)力機(jī)械、高層建筑、水上海上建筑結(jié)構(gòu)、跨江跨海橋梁等涉及空氣動(dòng)力學(xué)問題的研究，以及城市建筑規(guī)劃、礦區(qū)布置、污染源隨大氣紊流擴(kuò)散等環(huán)境問題的試驗(yàn)研究。因此，低速風(fēng)洞常按其主要用途被稱之為航窄風(fēng)洞、建筑風(fēng)洞、環(huán)境風(fēng)洞等。用于水力學(xué)試驗(yàn)研究用的氣流模型試驗(yàn)設(shè)備也是一種低速風(fēng)洞，模型試驗(yàn)段的風(fēng)速一般不大于60m/s。為了模擬靜水或運(yùn)動(dòng)水流的作用，風(fēng)洞內(nèi)的流體除生成氣流的空氣外還有靜止或流動(dòng)的水。

風(fēng)洞結(jié)構(gòu)一般可分為進(jìn)口段、模型試驗(yàn)段（或稱工作段）和出口段三部分。進(jìn)口段包括空氣進(jìn)入模型的喇叭形進(jìn)口及其后的整流裝置。模型試驗(yàn)段用以置放被試模型及進(jìn)一步調(diào)節(jié)氣流特性的裝置。出口段由管道、抽風(fēng)機(jī)、氣流流量計(jì)、控制閥等組成。航空風(fēng)洞工作段斷面常為圓形、正方形或高寬接近的矩形，建筑風(fēng)洞及環(huán)境風(fēng)洞工作段的尺寸常較大，斷面多為矩形或?qū)挾容^高度大得多的扁平矩形。河道氣流模型試驗(yàn)段都為扁平形，用玻璃板下表面代表水面，使明渠河道成為壓力流的模型。為了模擬地面風(fēng)速梯度及氣流紊動(dòng)，建筑風(fēng)洞和環(huán)境風(fēng)洞常在模型試驗(yàn)段的前部調(diào)整氣流和加糙，圖2是這類風(fēng)洞工作段的典型布置。

單純氣流模型的設(shè)計(jì)，是依據(jù)相似準(zhǔn)則保證模型和原型的歐拉數(shù)Eu相等。除正態(tài)模型外，為滿足小比尺河道模型的動(dòng)力相似，可采用變態(tài)模型。先確定平面長(zhǎng)度比尺和深度比尺，在試驗(yàn)中測(cè)得模型氣流量與原體設(shè)計(jì)流量的關(guān)系，有歐拉相似準(zhǔn)則可得流速比尺和時(shí)間比尺。

當(dāng)研究彈性結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力學(xué)問題，即氣彈性問題時(shí)，氣流模型的設(shè)計(jì)除考慮原型和模型歐拉數(shù)相同外，尚需考慮氣流內(nèi)部紊動(dòng)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力相似，模型的設(shè)計(jì)顯然較單純氣流模型復(fù)雜，若同時(shí)要考慮水彈性問題，氣流模型的設(shè)計(jì)將更為復(fù)雜和困難。

氣流模型試驗(yàn)可以用于研究氣流的基本特性，如流場(chǎng)的流態(tài)、壓力、流速分布和氣流內(nèi)部的紊動(dòng)結(jié)構(gòu)等，也可用于研究氣流與固體物與其他流體（如水）間的相互作用。由于空氣與水同屬流體，在流動(dòng)的基本特性方面有許多相同和相似之處，故在研究水工水力學(xué)或河流動(dòng)力學(xué)的某些問題時(shí)，可以用氣流代替水流來研究不同邊界條下的水力特性，借以對(duì)河道整治、河道分流等工程布置方案等進(jìn)行優(yōu)選，其優(yōu)點(diǎn)是氣流模型可以做的更小、觀測(cè)簡(jiǎn)便、省時(shí)、經(jīng)濟(jì)。在進(jìn)行水工或海工建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)震、風(fēng)流等直接與氣流有關(guān)問題的試驗(yàn)研究時(shí)，采用氣流模型試驗(yàn)更是理所當(dāng)然。水工水力學(xué)方面的有些問題，如建筑物體型設(shè)計(jì)、泥沙問題等仍須通過水流模型試驗(yàn)才能解決。

一：、什么叫做氣流？

簡(jiǎn)單地說，氣流就是空氣的上下運(yùn)動(dòng)，向上運(yùn)動(dòng)的空氣叫做上升氣流，向下運(yùn)動(dòng)的空氣叫做下降氣流。上升氣流又分為動(dòng)力氣流和熱力氣流、山岳波等多種類型，滑翔傘一般利用動(dòng)力上升氣流和熱力上升氣流兩種來完成滯空、盤升和長(zhǎng)距離越野飛行。（氣流和風(fēng)的區(qū)別）氣流是氣象學(xué)的學(xué)術(shù)用語,風(fēng)是我們的生活用語,其實(shí)無論空氣是水平運(yùn)動(dòng)還是垂直運(yùn)動(dòng)都可以叫氣流。但是空氣垂直運(yùn)動(dòng)我們不能感受到,只能感受得到水平氣流,所以生活中所說的風(fēng)只能是指水平氣流.

二、氣流的生成

氣流的生成，非常復(fù)雜，熱力氣流的生成受各種天氣、溫度、濕度，空氣溫度遞減率、地表溫差、氣壓、等數(shù)據(jù)影響。一般來說，空氣溫度遞減率越大、日照越充足、空氣越干燥，熱力氣流的形成就越好。

三：氣流的特點(diǎn)：

1、 氣流的惰性

氣流往往走的是最短最近的途徑。它是有惰性的，在參差不齊的山上，一直依賴于一個(gè)依托物爬升，如果是平地，沒有激發(fā)物，它就趴著，向水平方向運(yùn)動(dòng)。

2、 氣流的釋放點(diǎn)

在水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的氣流如果遇到激發(fā)物，就沿著障礙物爬升，一直走到障礙物的最頂端，依賴于山的最高點(diǎn)，所以一段山形最高點(diǎn)的上方空域（山額），往往是氣流的釋放點(diǎn)。我們?nèi)绻焉奖茸鲆粋€(gè)不規(guī)則的冰塊，把冰塊倒過來，水滴下來的位置是冰塊最尖點(diǎn)，倒轉(zhuǎn)回來，這就是氣流的釋放點(diǎn)。因而起飛前先要仔細(xì)判斷山形，根據(jù)山體的起伏形態(tài)找到氣流的激發(fā)點(diǎn)來制定飛行航線，這種方法可以使飛行員在越野過程中找到接續(xù)氣流的點(diǎn)，利用它盤升高度，然后繼續(xù)飛行。

3、 根據(jù)場(chǎng)地判斷氣流

在群山環(huán)抱的場(chǎng)地中，氣流出現(xiàn)的情況一般整幅連綿的山體來得復(fù)雜，所以起飛前一定 根據(jù)不同的場(chǎng)地仔細(xì)判斷。

對(duì)于山窩里的氣流，一般來說，正迎風(fēng)的情況下，氣流在山窩里流速會(huì)比溝外的強(qiáng)，如果風(fēng)力穩(wěn)定持續(xù)的話，這樣的動(dòng)力氣流可以利用；但是千萬注意，在側(cè)風(fēng)的情況下，要防止假風(fēng)和山窩里的回旋氣流，這時(shí)的山溝里就絕對(duì)不能去。 因?yàn)閭?cè)風(fēng)的情況下山窩里會(huì)產(chǎn)生假象的上升氣流和風(fēng)力回旋，表面上高度表報(bào)告進(jìn)入上升氣流，但那有可能是風(fēng)力回旋造成的假性上升，附近馬上就會(huì)有一個(gè)向下的力，容易產(chǎn)生折翼等危險(xiǎn)。

在整個(gè)山系有不同落差或風(fēng)層走廊的情況下，要特別注意切力風(fēng)層的出現(xiàn)。有時(shí)在某段高度內(nèi)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)速度不等、方向不同的切風(fēng)，導(dǎo)致整個(gè)傘翼旋轉(zhuǎn)或拍擊，在這個(gè)情況下，如果高度足夠的話，應(yīng)盡快逃離；或主動(dòng)失去一部分高度，脫離風(fēng)層切面。

四：熱力氣流和動(dòng)力氣流的區(qū)別

A：動(dòng)力上升氣流，就是水平運(yùn)動(dòng)的風(fēng)在遇到山或者障礙物激發(fā)時(shí)，改變運(yùn)動(dòng)方向而形成的向上運(yùn)動(dòng)的氣流，它的強(qiáng)弱大小受障礙物的大小以及風(fēng)力大小的影響。

動(dòng)力氣流的特點(diǎn)是：

1：在迎風(fēng)的山坡，風(fēng)力穩(wěn)定持續(xù)的話，動(dòng)力氣流應(yīng)該是一樣持續(xù)穩(wěn)定的。

2：障礙激發(fā)物（山體）越高、坡度越陡、風(fēng)力越大、動(dòng)力上升氣流就越強(qiáng)，上升區(qū)域就會(huì)增加；

3：完整山體的寬度越大，上升的速度和動(dòng)力氣流的幅面也越大；

4：動(dòng)力上升氣流的高度是有限的，它的高度一般可以超過山的高度的三分之一左右。

利用動(dòng)力上升氣流可以使滑翔傘達(dá)到滯空和盤升的目的。尋找動(dòng)力氣流，要在坡度比較陡、山形完整的的迎風(fēng)面，這樣的情況上升速率是一樣的。

B： 熱力上升氣流，是受日照、氣壓、溫度、風(fēng)力等氣象條件和地形條件的影響形成的上升氣流，它的高度可以從幾百米到幾千米，它的速率可以從幾米至幾十米/秒，所以在同一個(gè)場(chǎng)地，而天氣條件下不一樣的情況下，飛行所遇到的熱力上升氣流也不一樣。在氣象條件比較好的情況下滑翔傘可以利用上升速率在10米/秒的熱力上升氣流飛得很高很遠(yuǎn)。

由于地表熱容量的不同，吸收熱量的不同，熱力氣流就不同。舉例來說，砂石吸收的熱量最少，最容易飽和，但這時(shí)候日照還是繼續(xù)，于是把多余的熱量輻射給周圍的空氣，把周圍的空氣加熱，所以沙漠、山石、裸露在陽光下的干燥地表等上空形成熱力氣流的機(jī)會(huì)很大；而有水、草地、濕潤(rùn)的地區(qū)受陽光照射后形成熱力氣流則比較慢，因?yàn)樾枰臒崃亢艽?，周圍的空氣都是冷的，它需要熱量來蒸發(fā)水分，熱力氣流向上走的時(shí)候，兩邊的氣流來不足，對(duì)它造成壓力，從而形成相對(duì)意義上的下降氣流； 還有一種黃昏時(shí)的特殊熱力回吐氣流（俗稱傻瓜氣流），由于水面吸收了一天的陽光照射，在黃昏太陽落山前后，巖石等干燥地表迅速失溫，而水面蘊(yùn)涵的熱力卻依然強(qiáng) 盛，熱容比相對(duì)比較大，造成水面上是上升氣流，而干燥的巖石地面上空卻是下降氣流的奇特現(xiàn)象

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的重要手段，尤其是在理論尚不完備、非連續(xù)數(shù)值模擬技術(shù)尚未成熟的現(xiàn)階段，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)在深部巖體力學(xué)研究中占據(jù)重要地位。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)最早由格恩庫茲涅佐夫于1936年提出，是仿照真實(shí)結(jié)構(gòu)并按照一定比例關(guān)系復(fù)制而成的試驗(yàn)代表物，它具有原型結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)根據(jù)相似理論，用適當(dāng)?shù)谋壤吆拖嗨撇牧现瞥膳c原型相似的試驗(yàn)對(duì)象，再現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，最后按照相似判據(jù)整理試驗(yàn)結(jié)果，推算原型結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的科學(xué)性取決于模型與原型具有相同物理性質(zhì)的變化過程，要滿足物理現(xiàn)象的單值相似條件，還要求對(duì)應(yīng)的相似判據(jù)相等。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)苄蜗?、直觀地模擬工程結(jié)構(gòu)的受力、變形及破壞的全過程，可以比較全面、真實(shí)地模擬復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，揭示可控影響因素對(duì)人們關(guān)心的工程災(zāi)變?cè)杏莼^程的影響，為建立新的理論和數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)，從而為避免和防控工程災(zāi)害提供技術(shù)支持。

從20世紀(jì)70年代開始，清華大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)江科學(xué)院等高校和院所，結(jié)合水利、采礦、交通、國(guó)防等工程中的巖石力學(xué)問題，開展了大量的模型試驗(yàn)研究，取得了系列創(chuàng)新成果，為巖石力學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。如，清華大學(xué)李仲奎 等研制了離散化多主應(yīng)力面加載和控制系統(tǒng)，成功地解決了復(fù)雜三維初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬問題，提出基于擊實(shí)功復(fù)合作用系數(shù)以及密度隨填筑深度非線性逆向控制的模型制作方法，提高了模型材料力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性；山東大學(xué)張強(qiáng)勇等在試驗(yàn)臺(tái)架研制、相似材料制備、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集等方面開展了大量的工作，也取得了豐碩的成果。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)在大模型制作、控制加載、監(jiān)測(cè)量測(cè)、相似材料制備等方面得到了全面發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了模型由平面到立體、應(yīng)力狀態(tài)由平面到真三軸、加載邊界由剛性到柔性、監(jiān)測(cè)量測(cè)由概略到精細(xì)、材料性質(zhì)相似由粗放到嚴(yán)格的轉(zhuǎn)變。但是，在部分深部特有問題模擬上，如深部巖體的含能狀態(tài)、初始狀態(tài)、邊界條件以及與時(shí)間相關(guān)的變形破壞過程等，仍存在一些值得商榷之處。 2100433B

1．可逆性原理

物體在靜止的空氣中運(yùn)動(dòng)或氣流流過靜止的物體,如果兩者相對(duì)速度相等,物體上 所受的空氣動(dòng)力完全相等。

一般在研究、分析和實(shí)驗(yàn)時(shí),采用氣流流過物體的方法較為直觀和簡(jiǎn)單。根據(jù)此原理只要相對(duì)速度相等,它的結(jié)果與物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的空氣動(dòng)力就一樣。

2．連續(xù)性定理

這是描述流速與氣流截面關(guān)系的定理。氣流穩(wěn)定地流過直徑變化的管子時(shí),圖 1—1—2,每秒流入多少空氣,也流出等量的空氣。所以管徑粗處的氣流速度較小,而管徑細(xì)處較大?？捎孟率奖硎荆?

S1V1=S2V2=常數(shù)

式中:

S—管子截面積;V—流速。

3．伯努利定理

是能量不滅定理在空氣動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用,它描述空氣動(dòng)壓、靜壓和總壓之間的關(guān)系。

1/2ρv12 p1=1/2ρv22 p2=p0(常數(shù))

式中:

1/2ρv2—?jiǎng)訅?p—靜壓;p0—總壓。

流體在截面較大處(Ⅰ)仍流速較小,動(dòng)壓較小,靜壓較大,而 在截面較小處(Ⅱ)流速較大,動(dòng)壓較大,靜壓較小