水流模型与气流模型的原理与应用.pdf

一

·试研究·
水流模型与气流模型的原理与应用

所J

[提奠]水汽模丑和气汽模蕾悬研究水工水力学和河汽动力学的薄个置要手象和方法．本文阿述丁遗
两种摸童的相似原剐．比尺j盎择夏其解决工程同曩的适用条件．着重分析比较丁这两种模型的共同赢和麓异．
[关键调]壅粤连!!摹汽动介质相隹l比足几何变率}、理
I荫t的．直接用固定边界代簪自由水面．由于固定
天然河道水流运动是撅其复杂的．对于边界切应力的影响．垂向速度分布与原型是
河床演变不剧烈，泥沙问题不严重的河道．除有误差的。
教学模型外．室内研究方法还有水流模型和3相似理论
气流模型．水流模型在实际工程中应用较多·根据尺度分析和相似性原理，漉体运动
其相似理论与试验方法也较成熟。气流模型的一般无量纲函数关系式为
应用较步．本文将着重舟绍气流模型试验的f(~／b、＆／c、a／d、Eu、ErRe、we、ca)=0
原理、相似理论与试验方法，并和水流模型作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)
比菠．’式中a／b、ale、D／d裘示边界蕞件目线性
2气流模型试验愿理比尺．Eu为欧拉惯缝力／压力扰)，Fr为佛
气流模型试验就是利用风洞研究水动力汝德致(惯性力／重力比)，Re为雷诺致(惯性
学问题，气流河工模型就是利用封闭有压的力／粘滞力比)．We为韦伯数(惯性力／表面张
气流来模拟有自由水面的明渠水流运动。水力比)．Ca为柯西数(惯性力／弹性力比)。
流是不易压缩的，而气流则较易压缩。常温常对于水流模型，只要水深足够太．表面张
压下．空气的压缩性系数约为水流的20000力的影响可以忽略；当模型雷诺数足够大，水
倍。实际上，气流模型在运转时，其气流速度流处于阻力平方区-粘滞力的影响也可以忽
均低于1／4音速，一般在10—80m／s之闻范略。对于明流欧拉数和柯西数的影响也可以
围内进行模型试验，在这个速度范围内-气体不考虑。即起决定作用的是重力惯性力比相
密度的相对变化值范围为0．046—2．94。似与几何相似．(1)式可简化为
因此在这一范围内把气流近似处理为不可压f2(a／b、a／c、a／d、Fr)=0⋯⋯⋯⋯⋯(2)
缩流动是完全可以接受的。在气流模型中，空气的密度远小于水，气
气流模型流动介质是空气，因而实际明体运动的作用力主要为压力。出于水流模型
流中空气和水之间的自由表面必须用一种合同佯的考虑，当模型中空气速度足够大，气流
适的流体边界来模拟。对于河工模型，关注的基本上处于阻力平方区，Fr、Re，We和ca的
问题往往是平面流场，模型通常是几何变态影响均可忽略．(I)式可简化为

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f3(a／b、a／e、ala、Eu)一0⋯⋯⋯⋯⋯(3)4模型比尺选择
即气流模型建立在惯性力／压力比相似4．1水流模型比尺选择
与几何相似的基础上。为保证不使表面张力干扰水流的运动，
无论是水流模型还是气流模型，严格的水深比尺选择应保证最小水深大于f．5era。
几何相似是困难的，尤其是床面粗糙度的模为保证模型水流进入紊流，一般应使模型水
拟。为保证原型与模型流速场的相似性，放弃流雷诺数大于500，要使水流进入阻力平方
严格的几何相似而用基本几何相似和惯性力区，雷诺数应大于1000—2000。
／阻力比相似来代替：水工建筑物模型一般为正态模型，而对
—l正态于河道模型，原型长度为数公里到数百公里，
／,L
=
_1变态但水深却只有几米到几十米，尺度相差悬殊，
对于水流模型，由方程(2)即弗氏相似准受试验室场地限制，模型只能做成平面缩尺
则大于水深缩尺的变态模型，两个缩尺比之比
值叫几何变态率。水流模型平面比尺不宜超
—一1即v一⋯⋯⋯(4)
过1000，否则考虑缩尺影响带来的误差。几
对于气流模型，由方程(3)，即欧拉相似
何变态率e应受到严格控制，e<3模型所得
准则
出的水位与流速、流量成果误差较小{当e>
)．Eu一一1即)=()“5⋯⋯()
，，V，P3，由于模型加糙体尺寸增大，流速分布偏离
由连续洼相似准则，无论水流还是气流对数规律。e越大误差越大。同时为保持模型
均有水流的二度性，选择变率时还应考虑到应使

“
-：-．-1即L)⋯⋯(6)
，．L模型的宽深比满足(詈)一6～1o。
实际工程中习惯上不用阻力系数f而用4．2气流模型比尺选择
糙率n来表示边界阻力情况，由惯性力／阻力气流河工模型的平面比尺一般为一
比相似准则，对于一般变态河工模型(水流或1000～l0000，过流断面的高度一般应大于
者气流)均有1．0cm，并满足变态水流河工模型对变率选择

==一1和⋯1⋯·(7)的限制。
，·L
气流模型的压力比尺是可以自由选择
即一一’-T和)：⋯⋯⋯(8)
的，选择较大的压力比尺可以提高测量精度，
，．ei
上述各项中，j—、分别为长度、水深但应同时考