水工模型试验及检测

null水工模型试验及 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 水工模型试验及检测《水工模型试验及检测》《水工模型试验及检测》总学时：24 总学分：1.5 教材： 《水工模型试验》(第二版)，南京水利科学研究院编著，水利电力出版社，1985年。 参考书： 《水工模型试验及量测技术》，清华大学水利系，中国工业出版社，1961.9。 《模型试验的理论与方法》，左东启 等编著，北京水利电力出版社，1984。 《模型试验量测技术》，华东水利学院编，北京水利电力出版社， 1984。课程性质、目的课程性质、目的本课程是水利水电工程专业的一门专业选修课； 目的：较系统了解有关模型试验的基本理论知识，掌握试验方法、量测技术、模型制造等技能，学习组织实验工作、应用资料分析成果，以逐步提高独立工作的能力。null1、什么是水工模型试验？ 是一门技术科学，它通过试验来研究和改善水工建筑物的布置、型式和构造。 2、课程的主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ？ 主要讲述水工模型试验的原理、方法和应用，包括： 水力学模型试验 结构模型试验 原型观测 主要内容：主要内容：第 一 讲 绪论；量纲分析法（1） 第 二 讲 量纲分析法（2）；模型试验的理论基础（1） 第 三 讲 模型试验的理论基础（2） 第 四 讲 水工模型试验设备 第 五 讲 水工模型试验测试技术 第 六 讲 模型的制造作与安装 第 七 讲 水工模型试验操作技术 第 八 讲 水工模型试验实例 第 九 讲 试验资料的整理和数据处理 第 十 讲 水工建筑物的原型观测与研究 第 十一 讲 地下水渗流模型；数学模型简介 第 十二 讲 考试实验和试验的区别？实验和试验的区别？《现代汉语词典》的解释: 实验是为了检验某种科学理论或假设而进行某种操作或从事某种活动。 试验是为了察看某事的结果或某物的性能而从事某种活动。 本质的区别： 实验是为了获取实验值或者验证某个已经被接受的原理。 试验是为了探索的目的，并不知道结果会怎样，进行的尝试。一、绪论 一、绪论 意义 相似现象 基本任务 发展简史 分类 试验资料 试验仪器设备 试验的进行 研究范围水工模型试验意义：试验在水工建筑物中的作用意义：试验在水工建筑物中的作用水流现象往往是很复杂的 ，很多水力学问题单纯依靠理论分析是很难求得解答的，而更多的是要依靠实验研究来解决。理论分析数学分析 经验公式 推导理论方程前需要加上各种假设进行简化，并省略方程中的高次项。系数有一定的使用条件和范围，不能任意推广应用。 水工模型试验是流体力学理论和实际水利工程中间的媒介。 null设l－l 断面流速为均匀分布，即u1=v1 ；对0-0及1-1断面列能量方程，整理后得 null流速系数 φ 值的确定：根据原型观测射程的资料，代入理论公式反求。 (1)适用于KE=0.004～0.15范围内。当KE>0.15时，取φ=0.95。(2) (9.28) (9.29)流能比Z(m)：上下游水位差 坝面流程P(m)：挑坎顶部以上的坝高 B0(m)：溢流面的水平投影长度 应用范围：q2/3/s0=0.025~0.25，当q2/3/s0 >0.25时，取φ＝0.95。2、相似现象2、相似现象物理现象相似：物理体系的形态和某种变化过程的相似。 “相似”的三种情况： ①相似，或同类相似(similitude)； ②拟似，或异类相似(Analogy)； ③差似，或变态相似(Affnity)。2、相似现象2、相似现象物理现象相似：物理体系的形态和某种变化过程的相似。 “相似”的三种情况： 相似，或同类相似(similitude)； ②拟似，或异类相似(Analogy)； ③差似，或变态相似(Affnity)。2、相似现象2、相似现象在两个几何相似的物理体系中，存在着具有同一物理性质的变化过程，而且在两个体系中的相应点上同名物理量之间，具有固定的比值，这两个物理体系叫做同类相似或简称“相似”。 2、相似现象2、相似现象在两个几何相似的物理体系中，存在着具有同一物理性质的变化过程，而且在两个体系中的相应点上同名物理量之间，具有固定的比值，这两个物理体系叫做同类相似或简称“相似”。 两种现象必须具有同一物理性质，才能有严格意义的相似。 同名物理量:表征同一种物理属性 几何相似：两个体系所占据的空间的对应尺寸之比是一固定数。 nullnull两个相似的流体运动: 11223、基本任务3、基本任务水工模型试验：仿照原体实物，按照相似的准则，缩制成模型，根据其所受的主要作用力，进行试验研究。水工模型试验的基本任务：了解原体的实际现象和性质，或检查其水力安全性，就可使模型重演与原体相似的自然情况，进行观测，取得数据；然后按照一定的相似准则引伸于原体，从而作出判断。4、发展简史4、发展简史相似现象学说 1686年牛顿发现液体内摩擦定律，并制定液体内摩阻力相似定律； 1848年别尔特兰首先确定相似现象的基本性质，并提出量纲分析的方法； 1870年，佛汝德进行船舶模型试验，提出了著名的Fr数，奠定了重力相似律的基础； 1871年，费弄－哈哥特进行了莱因河口模型试验; 1898年恩格思在德国首创河工实验室，从事天然河流的模型试验; 费礼门(J．R．Freeman)创设美国标准局水工实验室，从事水工建筑物的模型试验。4、发展简史4、发展简史学术理论方面 紊流和边界层研究：普朗特（L.Prandtl）、泰勒（G.I.Taylor）和卡门（T.V.Karman） 相似理论和实验技术方面：爱斯纳(F.Eisner)、巴甫洛夫斯基、基尔皮契夫和尼古拉兹等 国外规模较大的著名水工试验室: 美国陆军工程兵团水道实验站 前苏联全苏水工科学研究所 法国夏都国家水力学试验室 荷兰台尔夫特水力研究所 印度中央水利水电研究站4、发展简史4、发展简史国内的水工模型实验室： 1933年在天津成立第一水工试验所 1935年在南京筹建中央水工实验所（南京水利科学研究院） 1956年在北京成立水利水电科学研究院 其余规模较大的水工试验机构有： 西北水利科学研究所 黄河水利科学研究所 长江水利水电科学研究院 5、分类 5、分类 整体模型、断面模型和半断面模型 正态模型和变态模型 定床模型和动床模型 5、分类 5、分类 整体模型、断面模型和半断面模型 正态模型和变态模型 定床模型和动床模型 null当研究河道中水利枢纽工程的总体布置时，就需要将所研究的河段和水工建筑物，按一定的比例缩制成模型进行实验，就叫做整体模型。 对于二元问题，如确定溢流坝面的压力分布，水流情况和冲刷消能等，一般沿坝轴线截取一段制成模型，安装在玻璃水槽中进行观测，称为断面模型。 还有一些水工建筑物两边对称，水流情况也对称，可以研究一边来代替整体，这时可采用半整体模型。（空间）（竖直、纵向）5、分类 5、分类 整体模型、断面模型和半断面模型 正态模型和变态模型 定床模型和动床模型 正态模型:将原体的三个尺度按照同一比例缩制。变态模型：因受各种条件的限制，采用竖直和水平方向长度缩尺不同的模型。5、分类 5、分类 整体模型、断面模型和半断面模型 正态模型和变态模型 定床模型和动床模型 若在模型中只观测泄流能力或水流流态，可将模型做成固定河床，称为定床模型。若研究水工建筑物下游局部冲刷或河床演变，需将模型做成活动河床，称为动床模型。6、试验资料 6、试验资料 地形测量资料 水工建筑物 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 详图 水文、地质资料 设计任务书 设计和制造模型 进行试验 7、试验仪器设备 7、试验仪器设备 固定设备 供水系统、标准量水池 、玻璃水槽 、减压箱、循环水洞 量测仪器 常规仪器 电子仪器 7、试验仪器设备 7、试验仪器设备 固定设备 供水系统、标准量水池 、玻璃水槽 、减压箱、循环水洞 量测仪器 常规仪器 电子仪器 测针 测压管 毕托管 文丘里水量计 水位 压力 流速 流量 8、试验的进行 8、试验的进行 明确生产中提出的问题，决定实验内容 选择模型比尺 制作模型 校核模型 选择量测设备及量测要求 率定，即预备试验和校正试验 正式试验 成果分析9、研究的范围9、研究的范围水工建筑物方面 水工建筑物的流量系数，水流作用于建筑物上的压力及脉动荷载，水流的衔接形式，消能工的作用，建筑物下游的局部冲刷及对河岸的冲刷情况，枢纽布置等。 船闸模型试验 输水管道的流量系数，灌泄水时间，闸室水流情况及其对船舶的作用力，水流对航道的冲刷等。 水电站水力学模型试验 调压井的尺寸和水力特性，水击压力，水轮机组性能，水电站及引水渠不稳定流，沉砂池的工况等。 火电、核电站冷却水研究 紊动混掺、扩散稀释和热传递规律等。 港口河道研究 治河工程对防洪、通航的影响，河道冲淤变化规律，以及防波堤的消浪、防浪作用，波浪对港工建筑物的作用力以及港口、河口减淤防淤 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 等。 二、量纲分析 二、量纲分析 量纲和单位 量纲和谐原理 量纲分析法水工模型试验二、量纲分析 二、量纲分析 量纲和单位 量纲和谐原理 量纲分析法水工模型试验2.1 量纲和单位2.1 量纲和单位量纲 用来表示物理量的性质和类别，可用简单的字母表示，其符号是[ ]。例如长度的量纲是[L]，时间的量纲[T]。 也称为“因次”、“尺度”（Dimension）单位 量度各种物理量数值的标准。“物质的物理性质”“数量”“内容和形式的关系”2.1 量纲和单位2.1 量纲和单位量纲 基本量纲 导出量纲2.1 量纲和单位2.1 量纲和单位量纲 基本量纲 导出量纲凡是不能用其他量纲替代的量纲。基本量纲分两种，每种三个： 物理量纲：[L]、[M]和[T] 工程量纲：[L]、[F]和[T] 。2.1 量纲和单位2.1 量纲和单位量纲 基本量纲 导出量纲可由基本量纲推导的其他物理量的量纲，如速度、加速度、密度等。2.1 量纲和单位2.1 量纲和单位无量纲数 量纲为零。 可以是相同量纲的比尺，如坡度i；也可由几个有量纲量通过乘除组合而成，如Re、Fr。 特点： 既无量纲也无单位； 不随所选用单位的不同而改变其数值。2.1 量纲和单位2.1 量纲和单位单位变换 问题：同一物理量，采用第一种单位量度出来的数与采用第二种单位量度出来的数之间有何关系？ 例如：（1） 3m＝3×100cm单位兑换系数当R改用cm，v改用cm/s，公式中的系数应作如何改变？（2）nulln的量纲：[ L-1/3T ]null两种单位系统的基本单位之间的关系为设有某物理量[MaLbTc]，用第一种单位系统量度，其数量为X；用第二种单位系统量度，其数量为 。∴单位兑换系数二、量纲分析 二、量纲分析 量纲和单位 量纲和谐原理 量纲分析法水工模型试验2.2 量纲的和谐原理2.2 量纲的和谐原理基本原理 凡是正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲都必须是一致的。 重要性 一个方程式在量纲上是和谐的，则方程的形式不随量度单位的改换而变化； 量纲和谐原理可用来确定公式中物理量的指数； 量纲和谐原理可用来建立物理方程式。2.2 量纲的和谐原理2.2 量纲的和谐原理伯努利方程粘性流体运动方程 量纲：[L]量纲：[LT-2]2.2 量纲的和谐原理2.2 量纲的和谐原理基本原理 凡是正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲都必须是一致的。 重要性 一个方程式在量纲上是和谐的，则方程的形式不随量度单位的改换而变化； 量纲和谐原理可用来确定公式中物理量的指数； 量纲和谐原理可用来建立物理方程式。null例：水平圆管中层流的流量Q与管段长l成反比，与两端的压差∆p却成正比，与圆管半径r的n次方成正比，与液体粘滞系数μ成反比，可写成如下形式根据量纲和谐原理求未知指数n 。[L3T-1] [FL-2] [L] [Ln][FTL-2] =/()[L3T-1] =[Ln-1T-1]根据量纲和谐原理，n－1=3，∴n=4解：2.2 量纲的和谐原理2.2 量纲的和谐原理基本原理 凡是正确反映客观规律的物理方程，其各项的量纲都必须是一致的。 重要性 一个方程式在量纲上是和谐的，则方程的形式不随量度单位的改换而变化； 量纲和谐原理可用来确定公式中物理量的指数； 量纲和谐原理可用来建立物理方程式。null例：水平圆管中层流的流量Q与圆管半径r、单位管长l的压差∆p/l、液体粘滞系数μ等因素有关，先用量纲和谐原理确定方程式的形式。二、量纲分析 二、量纲分析 量纲和单位 量纲和谐原理 量纲分析法水工模型试验2.3量纲分析法2.3量纲分析法雷列法 基本内容： 假定物理现象可以变量的幂次乘积来表示，即y、xi的量纲可用A、B、C等m个基本量纲表示为m个方程2.3量纲分析法之一——雷列法2.3量纲分析法之一——雷列法实质：应用量纲和谐原理建立物理方程。 应用：适用于那些影响因素间的关系为单项指数关系形式的问题。null例：设有弦长为l的单摆，摆端有质量为m的摆球，求单摆来回摆动一次的周期t的表达式。解：周期t与弦长为l、质量m、摆幅θ和重力加速度g等因素有关，即t = f (l, m,θ, g) 。根据量纲和谐原理，得M：α2＝0L：α1＋ α4＝0F：－2α4＝1α1＝1/2α2＝0α4＝－1/2代入原式为：根据物理实验得2.4量纲分析法2.4量纲分析法π定理 任何一物理过程，包含有n个有量纲的物理量，如果选择其中m个作为基本物理量，那么该物理过程可以由(n-m)个量纲1的数所组成的关系式来描述。因为这些量纲1的数是用π来表示，故称为π定理。2.4量纲分析法之一——π定理2.4量纲分析法之一——π定理应用π定理的步骤： 确定影响某个物理现象的n个物理量； 选出m个基本物理量；（一般取m=3) 排列(n-m)个π式，即写成 根据量纲和谐原理，求出各π项的指数ai、bi、ci。 写出描述现象的关系式 null例：用π定理推求文透里管的流量关系式。影响喉管处流速v2的因素有：进口断面直径d1，喉管断面直径d2，水的密度ρ、动力粘滞系数μ及两个断面间的压强Δp。解：（1）根据上述影响写函数关系式： f (v2, d1, d2,ρ,μ, Δp)=0（2）选取3个基本物理量：喉管直径d2，喉管流速V2和水的密度ρ。（3）写出n－3，即6－3＝3个无量纲π项：（1）（2）（3）null（4）根据量纲和谐原理，确定各π项的指数：对（1）式 ，其量纲为：L：1＝a1+b1－3c1T：0＝－b1M：0＝c1a1＝1b1＝0c1＝0于是有∴ 同理 null（5）将各π项代入 f (π1 ,π2 , …,πn-m )=0得或写成null量纲分析法 在已知与物理过程有关的物理量的情况下，利用量纲和谐原理可求出各物理量之间的基本关系式，并找出进一步研究该问题的途径； 使一些纯经验公式具有理论上（量纲和谐性）正确的形式； 依靠π定理可决定相似准数(见下节)和正确处理试验数据。null或∴ (πi)P=(πi)M模型与原型相似第三章 水工模型定律 第三章 水工模型定律 相似原理 相似条件 单项力作用下的相似准则 应用及举例 缩尺影响第三章 水工模型定律 第三章 水工模型定律 相似原理 相似条件 单项力作用下的相似准则 应用及举例 缩尺影响3.1 相似原理3.1 相似原理几何相似 运动相似 动力相似3.1 相似原理3.1 相似原理几何相似 运动相似 动力相似长度比尺面积比尺 体积比尺 指原型与模型两种流场保持几何形状和几何尺寸的相似。3.1 相似原理3.1 相似原理几何相似性 运动相似性 动力相似性两个流动的速度场和加速度场都相似。 速度比尺 加速度比尺 时间比尺 3.1 相似原理3.1 相似原理几何相似性 运动相似性 动力相似性作用于原型和模型两个流场任何点上的各种作用力的大小均维持一定的比例关系，且方向相同。动力比尺 3.1 相似原理3.1 相似原理牛顿一般相似性原理 受牛顿第二定律约束的相似现象 动力相似原理 或作用力 惯性力 令（牛顿数 ）∴两个相似流动的牛顿数应相等。 null对于不可压缩粘性液体，其运动方程可用纳维－斯托克斯方程描述，即将比尺关系(a)(b)代入(a)式，得∴null重力动水压强粘滞力当地惯性力位移惯性力重力和位移惯性力的比值动水压强和位移惯性力的比值粘滞力和位移惯性力的比值当地惯性力和位移惯性力的比值佛汝德数欧拉数雷诺数斯特劳哈尔数“相似准数”第三章 水工模型定律 第三章 水工模型定律 相似性力学 相似条件 单项力作用下的相似准则 应用及举例 缩尺影响3.2相似条件3.2相似条件模型与原型相似的三个必要和充分条件 模型与原型为同一物理方程所表述 模型和原型单值条件所包含的物理量相似 有关的相似准数相等流动现象的单值条件主要包括以下几方面内容： 几何边界：流场的几何形状 边界条件：流场进出口断面的流动情况及边界的性质 初始条件：现象开始时刻的流动情况 物性条件：流体的物性，如密度、粘滞系数等。null常见的使流体运动发生运动的 8 种作用力： 惯性力 Fi=质量×加速度＝(ρL3)/(L/T2)= ρL2v2 重力 Fg=质量×重力加速度＝(ρL3)g= γL3 粘滞力 Fμ=粘滞剪切应力×剪切面积 ＝μ(du/dx)L2 = μ(u/L)L2= μuL3 压力 Fp=压强×面积＝pL2 弹性力 FE=弹性模量×面积＝pL2 表面张力 Fσ=表面张力强度×面积＝σL2 离心力 Fω=质量×加速度＝ρL3(L/T2)=ρL4ω2 振动力 Ff=质量×加速度＝ρL3(L/T2) )=ρL4f2null重力动水压强粘滞力当地惯性力位移惯性力重力和位移惯性力的比值动水压强和位移惯性力的比值粘滞力和位移惯性力的比值当地惯性力和位移惯性力的比值佛汝德数欧拉数雷诺数斯特劳哈尔数“相似准数”null佛汝德数相似雷诺数相似∴或或实际水流运动中要想同时满足各种力的相似是很困难的，原因如下：null表 几种常见液体的μ值（单位：10-3N·s/m2计）第三章 水工模型定律 第三章 水工模型定律 相似性力学 相似条件 单项力作用下的相似准则 应用及举例 缩尺影响3.3单项力作用下的相似准则3.3单项力作用下的相似准则相似准则：使主要力相似的相似判别依据称为模型相似准则。 重力相似准则 阻力相似准则 惯性力相似准则 压力相似准则 弹性力相似准则重力相似准则重力相似准则＝∴原型和模型的佛汝德数相等 弗劳德准则由于受重力作用具有自由液面的流动现象在水力学中占主要位置，故水工模型试验中，弗劳德相似准则的应用范围最广。null由弗劳德准则推导的模型与原型各物理量的比尺与模型比尺λL=1的关系：null1）原型中洪水流量 QP=140m3/s，根据弗劳德准则，模型流量为2）经测得模型中下游护坦中段流速 vM=2.3m/s，推算到原型流速为3）模型中测得下游水跃高度为 hM=7.0cm，推算到原型为null4）原型闸门开启所需的时间为 TP=30s，欲达成相似的水面变化，其相应的模型开启时间需保持根据弗劳德准则，模型流量为5）于模型坝顶附近装设水轮机，测得其转动功率为10 r/s，推算到原型水轮机得6）设原型的洪水历时为2d，在此期间流过的总水量为2.42×107m3，推算到原型应为12h流过模型的水量为2.42×107/(16)3=5908m3阻力相似准则边界对水流的阻力可表示为阻力相似准则阻力比尺单位面积上阻力 null（1）对于阻力平方区的紊流∴ 按重力相似设计模型时，要求渠道的相对粗糙度必须相等。 如J 按曼宁公式计算，则∴ 渠道糙率系数 n 的模型比尺为如J 按谢才公式计算，则在什么情况下可以满足λJ＝1？null（2）对于层流阻力主要由水流的粘滞力引起。在什么情况下可以满足λJ＝1？∴ ReP=ReM∴雷诺准则主要研究不可压缩流体中物体受流体内部摩擦力影响下的运动现象，或研究管道内无自由液面不可压缩流体的流动问题。null由雷诺准则推导的模型与原型各物理量的比尺关系：null例 一潜艇在0℃海水内潜行速度为5m/s，如船模比尺λL=20，在20℃清水拖池中的潜行速度应为多少？解： 已知海水在0℃时，ρP=1028kg/m3，μP=188.6Pa﹒s 而清水在20℃时，ρM=998.3kg/m3，μM=100.2Pa﹒s 根据式（3-33） 有3.3单项力作用下的相似准则3.3单项力作用下的相似准则重力相似准则 阻力相似准则 惯性力相似准则 压力相似准则 弹性力相似准则第三章 水工模型定律 第三章 水工模型定律 相似原理 相似条件 单项力作用下的相似准则 应用及举例 缩尺影响3.4应用及举例3.4应用及举例应用 举例null例4-2 水流作用于桥墩的力主要受重力控制，故根据弗劳德模型定律设计制造模型。设有矩形桥墩宽0.8m，建筑在水深为3.5m的河流中，根据实验供水条件及设备条件，定长度比尺为λl=10，计算得模型桥墩的宽度为bm=bp/λl=0.8/10=0.08m，模型水深为Hm=Hp/λl=3.5/10=0.35m。 按照几何相似比例缩制模型并进行试验，模型中水流流速为0.6m/s，测得桥墩所受的冲击力为6.669N；水流在模型中流经桥孔的时间为0.5s。求原型桥墩所受的冲击力、水流流速以及水流在桥孔中流过的时间。null例4-4 有一滚水坝泄流量Q=3500m3/s，坝宽b=210m，坝面糙率np=0.018。拟在模型水槽中做实验，模型水槽的最大流量Qm＝20l/s，槽宽bm＝25cm，试根据水槽条件确定模型比尺。解：滚水坝泄流作用力为重力，但坝面水流也受到阻力影响，模型设计可按重力相似准则决定比尺，再用阻力相似条件核定其糙率是否满足要求。此滚水坝宽度较长因而不需要做整体模型，可以比较其单宽流量q。原型滚水坝单宽流量 模型水槽中最大单宽流量 单宽流量比尺 初步选定 校核糙率： 模型用水泥浆精工抹面是可以做到这样光滑的糙率的，故初选λl=36是可行的。，因此，长度比尺 第三章 水工模型定律 第三章 水工模型定律 相似原理 相似条件 单项力作用下的相似准则 应用及举例 缩尺影响3.5 缩尺影响3.5 缩尺影响 从根据相似准则设计的模型测得的数据推演原型数据，由于次要作用力的影响，偏差是不可免的，此即缩尺影响。3.5 缩尺影响3.5 缩尺影响雷伯克（Rehbock）矩形堰流量公式 如果H/P固定为1/3，则H1=0.60m时，C1=0.422 λL=6，即H2=0.6/6=0.1m时，C2=0.428（1.4% ） λL =10，即H3=0.6/10=0.06m时，C3=0.432（2.4% ） λL =20，即H4=0.6/20=0.1m时，C4=0.444（5.2% ）