港航工程模型试验(三章1～6节).pptx

第三章河工模型试验2研究方法
3河工模型分类
固定河床(定床)——模型水流为清水，河床在水流作用下不发生变形的模型称为定床模型；
活动河床(动床)——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。4适用条件
定床——在河床冲淤变化甚小，或虽有变形，但变形对所研究的主要问题影响不大时。定床模型试验在理论和实践上都比较成熟，结果可靠，目前应用十分广泛。
动床——研究水流、泥沙相互作用而引起的河床冲淤变化问题。动床模型试验的理论和实践，虽然正在迅速发展，但由于所研究的问题极为复杂，至今仍然不十分成熟，有待进一步完善。
动床模型
推移质动床模型
悬移质动床模型
全沙动床模型河工模型不论动床或定床，均可分为正态与变态两种。
正态模型——各个方向的长度比尺相同，几何形状与原型完全相似。
变态模型——受（相似、场地、经费等）条件限制。模型的几何相似的偏离。
（注意限制条件）

河工模型试验首先应该保证水流运动的相似。而其研究和模拟的对象－－天然河流，通常都是三维紊动水流。作为通用的情况，有关物理量的相似比尺关系式，可根据三维紊动水流的微分方程式，采用第一章介绍的相似转换的办法导出。

(3-1)第一节概述二、三维紊动水流运动相似的基本条件由于几何相似应得到保证，故有如下长度比尺的关系式：（3-3）利用式（3-2）中的任何一式，进行相似转换即可求得：原型与模型由位变加速度引起的惯性力之比，等于由时变加速度引起的惯性力之比，实质上反映了水流运动连续性条件的相似要求。
对于两个非恒定流动的相似，它决定了时间比尺与流速比尺、长度比尺的关系。当水流为恒定流时，水流运动方程式中的时变项为零，这个比尺关系式将自动满足。
Fγ——弗汝德数EU——欧拉数Re——雷诺数原型与模型由时均流速产生的惯性力之比，等于由脉动流速产生的惯性力之比。
由于脉动惯性力就是紊动剪力，它消耗水流的能量，对水流产生阻力作用。对于紊动水流，粘滞力可以忽略不计，这个比尺关系式就可视为惯性力之比等于阻力之比。以重力和阻力相似看，无法严格满足。联解（3-8）和（3-10）两式：第二节正态定床河工模型一、正态定床河工模型的相似条件(3-8)重力相似必须满足，模型和原型都在同一重力场，（λg＝1）用水做试验：难于处理的是式(3-11)。该式所表达的实际是水流的阻力相似，是必须遵守的。然而由于脉动流速与其它水力要素之间的关系尚未充分揭露，故不能用此式直接导出实用的阻力相似条件，应另行设法处理。
为此，我们分析三维紊流的紊动剪应力，设x轴与水流方向一致，z为铅直方向，y沿河宽方向。这时xy平面上沿水流方向的单位面积的切应力应为:式中，A为紊动粘滞性系数：v为时均流速。v′为脉动流速，下角标x、z表示其所指的方向。
对于正态模型，各个方向的流速比尺、脉动流速比尺和长度比尺均相等。故由上述两式可导得如下比尺关系：考虑到由于在相似水流中点流速υ与垂线平均流速V是相似的，其比尺相等，因此又有：由于水流阻力系数f和谢才系数C分别遵循下列关系：亦可表示为：若从一维或二维紊流的微分方程式同样可以导出这些比尺关系，只是其涵义略有差别。如对于—维非恒定流的微分方程有：

连续性方程：
运动方程利用相似转换可求得：基本满足几何相似的正态模型必须遵守的水流相似条件是：
水流连续性相似：
重力相似：
阻力相似：或
紊流限制性条件：
表面张力限制性条件：
实际模型设计中，实现阻力相似的手段很多，两种方法：
(一)蔡克士大曲线方法
为了满足阻力相似(即λf＝1)条件，在设计中应确定模型的绝对粗糙度K。为此，可使用蔡克士大方法。
蔡克士大在明槽中进行了一系列有关水流阻力和流态分区的试验，图3-1和(3-2)。第二节正态定床河工模型一、正态定床河工模型设计光滑区

过渡区A

过渡区B

阻力平方区
紊流诸区的分界可以水流雷诺数Re为指标。根据蔡克士大的成果，汇列如下:设计模型时，先据各方面条件拟定长度比尺后，可由原型雷诺数Rep及重力相似条件，反求模型的雷诺数Rem。如果式(3—35)提出的要求在模型中能够做到，则所拟的λl是合理的，可行的。
(2)Re2<Rem<Re3如图3-3b所示
此时，阻力系数f与雷诺数Re、相对粗糙度R/k两者有关。为使原型与模型阻力系数相等，首先应设法采用更小些的长度比尺λl使之进入(1)所列情况；如无法满足，则模型相对粗糙度应按图3—3(b)中虚线位置的R/k进行控制。应当指出，这样的办法对于模型将有多种流量(即Rem有各种数值)时，不能都做到阻力相似。(3)Re1<Rem<Re2如图3-3c所示
此时已无法通过调整模型粗糙度的办法来满足fm=fp的阻力相似条件，因此应该做变态模型(详见下节)。否则就必须改变模型的比降比尺(λJ≠1)，或者改变流速比尺。这种方法在实践中采用