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河工模型的概念及不足 | 零点研究室
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河工模型试验是人们基于相似的概念和理论,利用远较原型为小的模型,对某些自然现象进行实体模拟,并据此定性或定量揭示自然现象的内在规律,藉以满足工程设计和理论研究之需要的一种科学方法。

由于现有模型试验理论与技术尚不完善,因此若以较高的标准来衡量,则相当一部分已经完成的和正在进行的泥沙动床模型在设计及试验过程中都存在问题。在对天然河流进行模拟时,若几何边界条件和起始条件等均能与原型相似而做成正态模型是最理想的,但在必须满足一些基本要求的条件下,就必须要建造很大的模型。大多数情况下,建造可以满足要求的正态模型是不经济、不现实的,甚至是不可能的。因此,常按照模型相似理论对实体模型进行变态处理,也即是将模型进行几何变态。然而,使用几何变态的方法时常常会遇到一些问题,有些问题甚至被认为是难以调和的。

天然河流一般为宽浅河流,坡度较小。在河工模型试验中,如果水平比尺等于垂直比尺,且水平比尺较大时会造成模型中水深过小并要求模型糙率非常小,结果使得模型很难达到和原型阻力一致,甚至无法测量试验数据;还会造成雷诺数过小,与原型流态不一致;模型沙粒径过小,使得模型沙性质发生改变,无法使用。同时,模型中水流的表面张力也将起到不容忽视的作用。而减小水平比尺则会使试验场地面积和模型流量增大,试验周期变长,甚至难以满足某些条件。解决这些矛盾的有效方法就是使水平比尺大于垂直比尺。避免技术上不可能做到的模型光滑条件,使流态与原型接近,使水流表面张力对水流运动的影响居于次要地位等,这样就可以使许多问题得到解决。

模型的几何变态对水流的影响是多方面的。

首先,在重力和阻力相似条件下,模型水流可以在纵向和横向与原型相似,但边界条件复杂时,在模型中想同时满足重力和阻力相似条件有一定难度。特别是大变率模型,糙率比尺变化更大,要想使水流纵横运动的相似性不受影响就更困难了。

第二,河道模型变态后,糙率加大,模型河床阻力增大,水流垂向流速分布相似性较差,因此使得变态模型不适宜研究流速分布问题,而只可做到水流平均特征的相似;在定床模型中,按照目前常用的加糙方法,糙率差异太大会使得加糙部位局部水流结构受到较大影响,并且在推移质动床模型中,加糙几乎是不可能的。

第三,河道复杂的地形使得大变率模型水流垂向离心力与原型不相似,可能会增加紊动源,进而影响泥沙的悬浮相似。





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