水力學模型試驗歷史和發(fā)展

1870年左右，弗勞德(W. Froude)進行船舶模型試驗：1885年，雷諾(O．Reynolds)進行摩塞(Mersey)河模型試驗；1898年，恩格斯(H．Engels)首創(chuàng)河工實驗室進行天然河流的模型試驗。20世紀以來，水力模型得到更大發(fā)展。在中國較早的有1935年進行的淮河楊莊和三河活動壩模型試驗，以及長江馬當段水道整治模型試驗。1949年后，水力模型試驗在中國得到廣泛的應用，建立了大量的水工試驗室，模型試驗技術(shù)也有很大提高和發(fā)展。尤其在20世紀后半葉，中國在水電建設(shè)和河流整治方面進行了大規(guī)模的室內(nèi)試驗，在設(shè)備條件和技術(shù)方面有了長足的發(fā)展。

水力學模型試驗模型設(shè)計的限制條件

因模型設(shè)計只能模擬主要作用力，為消除和減小由次要作用力影響產(chǎn)生的偏差，要注意下列幾個限制條件：

(1)為保證模型和原體的流態(tài)相似，當原型為紊流時，模型中雷諾數(shù)雖小于原型，但仍應保證模型流態(tài)達到紊流的阻力平方區(qū)。

(2)為避免表面張力影響面波的相似，模型表面流速應大于23 cm/s。為保證流速分布和壓強分布的相似，模型最小水深應大于3.0 cm。

(3)在變態(tài)模型中，如果變率過大會改變模型中的流態(tài)、流速分布和壓強分布，一般變態(tài)模型中平面比尺和垂直比尺的變率在1:2~1:10之間。

(4)由于模型和原型的水面都是大氣壓力，如模型邊壁受動力水作用影響而出現(xiàn)負壓，則模型負壓值不能按比尺引伸到原型。比較正確的測定負壓值需將模型放置在減壓箱內(nèi)進行試驗。

水力學模型試驗模型的范圍和比尺選擇

根據(jù)試驗研究的任務要求和試驗場地、設(shè)備、量測方法和測驗精度等條件，綜合考慮、合理選定模型的類型、范圍和比尺。

水力學模型試驗模型試驗場所

按地點、供水條件和場房設(shè)備等可分為室內(nèi)試驗廳、露天試驗場和工地試驗場所。

(1)室內(nèi)試驗廳。為了工作不受氣候等自然條件的限制，又有利于使用精密的量測儀器設(shè)備，可以建成綜合使用的試驗大廳，布置幾個模型同時進行試驗：也可一個項目設(shè)置一個試驗廳。

(2)露天試驗場。進行大型的水利樞紐或河道模型需要較大的場地，往往在露天進行。

(3)工地試驗場所。工程設(shè)置專用設(shè)備進行試驗研究，常結(jié)合利用水利工程大流量、高水頭等有利條件。

水力學模型試驗模型供水系統(tǒng)

可以分為自流式和循環(huán)式兩種：

(1)自流式供水系統(tǒng)。利用閘壩的水位落差引河渠水進入試驗室。自流式供水系統(tǒng)必須就近有可靠水源：有時需要外加人工循環(huán)系統(tǒng)進行補充。

(2)循環(huán)式供水系統(tǒng)。整個供水系統(tǒng)包括蓄水池、水泵、平水塔、配水管和量水設(shè)備，經(jīng)模型使用后通過回水管槽（含沉沙池）再回到蓄水池，使一定的蓄水量能長期循環(huán)使用。

水力學模型試驗固定和專用設(shè)備

(1)二元玻璃水槽。研究二維水流問題的通用設(shè)備。水槽兩側(cè)為玻璃槽壁，可以直接觀測流態(tài)。一般槽寬30~100 cm，流量100~300 L/s，高度1~3 m，槽長包括量水堰、槽和尾門等總長約20~ 30 m。特大型的專用

水槽，如荷蘭代爾夫特(Delft)試驗室的波浪水槽長達250 m，寬5 m，深7 m。

(2)活動水槽。即底坡可以變動的水槽。用以研究糙率、推移質(zhì)和水力學方面的基本試驗。一般槽寬30~50 cm，高30～60 cm，長10～30 m，流量100 L/s，變坡范圍±10%。

大型的活動陡槽有研究高速水流摻氣的專用陡槽，變坡范圍0°~ 60°，最大流量達200～1000L/s。

(3)專用設(shè)備。有高壓箱、減壓箱、水洞以及上面提到的摻氣陡槽等。設(shè)備復雜，布置要求嚴格，一般都建造專用設(shè)備樓。

水力學模型試驗模型試驗要求

模型液流和原型水流（即實物水流）之間應當滿足力學相似。力學相似包括幾何相似、運動相似和動力相似。

①幾何相似是原型水流和模型液流相應長度成比例，相應角度相等。

②運動相似是在幾何相似的基礎(chǔ)上，原型和模型的相應點上(如果為非恒流需加上相應時間上)的流速方向相同，大小成同一比例。

③動力相似要求作用在原型和模型上相應力成比例。作用在液體上的力有重力、壓力、粘性力、表面張力等，使這些外力的合力和水流慣性力處于平衡狀態(tài)。

設(shè)計一個模型由于技術(shù)上的限制，不可能同時把所有的外力都考慮，因而只能考慮主要的作用力。①當決定液體流動狀態(tài)的主要作用力為重力時，要求原型和模型的慣性力和重力之比相等，即原型和模型的弗勞德數(shù)相等。明渠流和波浪運動的主要作用力是重力，模型設(shè)計遵循弗勞德模型律。②當決定液流運動狀態(tài)的主要作用力為粘性力時，要求原型和模型的慣性力和粘性力之比相等，即原型和模型的雷諾數(shù)相等。管流和流體繞流，主要作用力是粘性阻力，模型設(shè)計遵循雷諾模型律。但是當雷諾數(shù)相當大時，慣性阻力占絕對優(yōu)勢，水流進入自動模型區(qū)，則只要達到幾何相似，不必遵循雷諾模型律，即能實現(xiàn)力學相似。

有了速度比例，結(jié)合長度比例和密度比例，即可求出任意參變量（例如力、壓強、流量等）的比例，將實驗結(jié)果換算為原型參變量。

水力模型試驗屬物理模型試驗。它與數(shù)學模型和現(xiàn)場原型觀測三者互相結(jié)合，是進行水力學研究的重要手段。

按研究的對象、任務和試驗方法可分成不同類型：①在研究樞紐布置和各類建筑物的相互關(guān)系時，需要將整個樞紐包括上下游河段，縮制成模型進行研究，稱整體模型試驗；②研究某一建筑物，稱單項整體模型試驗；③截取一個斷面放在玻璃水槽內(nèi)進行試驗，稱斷面模型試驗（或一維模型）；④研究建筑物及河渠某一部位水流現(xiàn)象，稱局部模型試驗；⑤研究閘門止水等問題，稱局部切片模型試驗等。

模型三個方向的比尺相同的稱正態(tài)模型。如所研究水域范圍大，為保證模型內(nèi)有足夠水深，則須放大垂直比尺，稱為變態(tài)模型。模型中河床地形做成固定邊界的為定床模型：如研究河床的沖淤變化，則使用模型沙作成可沖淤的河床稱動床模型。如模型水流中挾帶懸移質(zhì)的稱為渾水模型，否則稱為清水模型。

此外，還有氣流模型，減壓模型等。

在水利建設(shè)中，模型試驗應用范圍主要有：①水利樞紐工程及泄水和過水建筑物的優(yōu)選布置；②各類泄水建筑物的體型布置，泄流能力，下游消能防沖以及水流運動對建筑物的作用力等；③船閘灌泄水系統(tǒng)和升船機的水力學問題；④水電站引水系統(tǒng)和調(diào)壓井的非恒定流；⑤潰壩洪水波和水庫滑坡涌波的非恒定流；⑥河床演變與河道整治，取水工程的防沙及排沙措施；⑦河口及港灣航道工程的布置及防浪措施；⑧地下滲流問題；⑨水利工程施工過程中的導流和截流問題等；⑩水輪機和水泵的性能及水流部件的設(shè)計；⑧固體和流體的管道輸送；⑥環(huán)境水力學（含熱、核電站的冷卻水問題）等。

液體流動是一種非常復雜的過程，很多流動規(guī)律有待研究。單純用數(shù)理分析，在多數(shù)情況下難以得出正確結(jié)果，而必須依賴于實驗。水力學模型實驗的目的是探索規(guī)律，驗證理論，確定系數(shù)或常數(shù)，進行水力學專題研究，解決生產(chǎn)實際問題。

水力模型試驗研究，包括模型相似理論，模型的規(guī)劃、設(shè)計和制造，測試系統(tǒng)的布置設(shè)計，模型試驗方案優(yōu)選和試驗測取資料的處理分析，并預見原型工程中可能存在的問題，為工程提供設(shè)計需要的數(shù)據(jù)和改進方案。水力模型試驗能用少量的經(jīng)費，完善工程設(shè)計，并節(jié)省建設(shè)投資，得到較大的經(jīng)濟效益。

本書根據(jù)作者從事水工水力學水力模型試驗研究工作以來的技術(shù)經(jīng)驗和成果中選出，經(jīng)綜合整理匯編而成。全書內(nèi)容共分8章，內(nèi)容包括階梯式消能工研究與應用、低水頭水閘泄洪消能防沖、溢流壩水面線計算、差動式挑坎水力計算、窄縫式挑坎水力特性研究、水利水電工程進水口水力學研究、水工水力學專題研究、工程研究和應用實例等。

地質(zhì)力學模型試驗是巖石力學研究領(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)力學模型試驗在深部巖體力學研究中占據(jù)重要地位。

地質(zhì)力學模型試驗最早由格恩庫茲涅佐夫于1936年提出，是仿照真實結(jié)構(gòu)并按照一定比例關(guān)系復制而成的試驗代表物，它具有原型結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。地質(zhì)力學模型試驗根據(jù)相似理論，用適當?shù)谋壤吆拖嗨撇牧现瞥膳c原型相似的試驗對象，再現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，最后按照相似判據(jù)整理試驗結(jié)果，推算原型結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)。地質(zhì)力學模型試驗的科學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，還要求對應的相似判據(jù)相等。

地質(zhì)力學模型試驗能形象、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、真實地模擬復雜的地質(zhì)構(gòu)造，揭示可控影響因素對人們關(guān)心的工程災變孕育演化過程的影響，為建立新的理論和數(shù)學模型提供依據(jù)，從而為避免和防控工程災害提供技術(shù)支持。

從20世紀70年代開始，清華大學、山東大學、中國礦業(yè)大學、長江科學院等高校和院所，結(jié)合水利、采礦、交通、國防等工程中的巖石力學問題，開展了大量的模型試驗研究，取得了系列創(chuàng)新成果，為巖石力學的發(fā)展做出了重要貢獻。如，清華大學李仲奎 等研制了離散化多主應力面加載和控制系統(tǒng)，成功地解決了復雜三維初始地應力場的模擬問題，提出基于擊實功復合作用系數(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性質(zhì)的穩(wěn)定性；山東大學張強勇等在試驗臺架研制、相似材料制備、試驗數(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)力學模型試驗在大模型制作、控制加載、監(jiān)測量測、相似材料制備等方面得到了全面發(fā)展，逐步實現(xiàn)了模型由平面到立體、應力狀態(tài)由平面到真三軸、加載邊界由剛性到柔性、監(jiān)測量測由概略到精細、材料性質(zhì)相似由粗放到嚴格的轉(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)、邊界條件以及與時間相關(guān)的變形破壞過程等，仍存在一些值得商榷之處。 2100433B