第五章-水工模型试验课件.ppt
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- 第五 水工 模型 试验 课件
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1、河工及水工模型试验河工及水工模型试验第五章第五章 水工模型试验水工模型试验5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 一、水利枢纽整体模型试验的基本任务一、水利枢纽整体模型试验的基本任务1、水利枢纽的概念、水利枢纽的概念2、基本任务、基本任务 v 工程前枢纽河段的水力特性试验研究。工程前枢纽河段的水力特性试验研究。v 枢纽泄流能力及优化泄流宽度试验研究。枢纽泄流能力及优化泄流宽度试验研究。v 枢纽总体布置方案试验研究。枢纽总体布置方案试验研究。v 通航建筑物平面布置形式及通航水流条件试验研究。通航建筑物平面布置形式及通航水流条件试验研究。v 对施工导流方案、施工期防洪渡汛方案及施工期河床
2、冲淤对施工导流方案、施工期防洪渡汛方案及施工期河床冲淤进行试验研究。进行试验研究。v 枢纽运行期优化调度方案试验研究。枢纽运行期优化调度方案试验研究。v 枢纽河段局部动床模型试验研究。枢纽河段局部动床模型试验研究。v 其它有关问题的试验研究。其它有关问题的试验研究。三峡工程双线五级船闸三峡工程双线五级船闸三峡工程导流明渠三峡工程导流明渠三峡工程二期围堰三峡工程二期围堰5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 二、相似条件二、相似条件5.1 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验220 yxxxxxxyxyyyyxyyuuxygu uuuuuugJxytC huuugu uuu
3、gJxytC h连续方程:二维非恒定流方程运动方程2222yxxxxxyyyyuuuuuuhlltlChuuuuuuhlltlCh 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 xyuuuxyllltuuu1 2xyuuuh1 2()lChv时间比尺时间比尺:(斯特鲁哈准则)(斯特鲁哈准则)v佛汝德准则:佛汝德准则:v阻力相似条件:阻力相似条件:v 流速比尺:流速比尺:v水利枢纽整体定床模型必须为正态水利枢纽整体定床模型必须为正态 要实现水利枢纽上下游附近流态的真正相似,要实现水利枢纽上下游附近流态的真正相似,还必须做到垂线流速分布相似,这就要求模型还必须做到垂线流速分布相似,这就要求模型
4、与原型的阻力系数或谢才系数同量;与原型的阻力系数或谢才系数同量;水流经水工建筑物及其消能设备下泄时,水头水流经水工建筑物及其消能设备下泄时,水头损失绝大部分消耗于建筑物及河床几何形态决损失绝大部分消耗于建筑物及河床几何形态决定的局部阻力,在几何变态的情况下将造成下定的局部阻力,在几何变态的情况下将造成下泄水流某些基本特性的改变。泄水流某些基本特性的改变。5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 1 2()1lChlh三、模型设计步骤三、模型设计步骤v拟定拟定枢纽上、下游和左、右岸的枢纽上、下游和左、右岸的模拟范围模拟范围,并确,并确定有哪些放水运行情况。定有哪些放水运行情况。v结合试验
5、室场地条件和供水能力,以正态几何相结合试验室场地条件和供水能力,以正态几何相似为前提选择可能的最小似为前提选择可能的最小l ,计算在各种放水流,计算在各种放水流量下模型河床中的水深和水流雷诺数,并校核其量下模型河床中的水深和水流雷诺数,并校核其数值是否足够。数值是否足够。v用阻力相似条件估算模型各部位应采取的模型材用阻力相似条件估算模型各部位应采取的模型材料。料。v进行未建枢纽前的天然河床模型阻力验证。进行未建枢纽前的天然河床模型阻力验证。v绘制详细的模型施工图,并统筹布置模型上下游、绘制详细的模型施工图,并统筹布置模型上下游、左右岸的各项控制和观测设备。左右岸的各项控制和观测设备。5.1 水
6、利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验四、模型设计及试验实例四、模型设计及试验实例 株洲航电枢纽坝址河势图株洲航电枢纽坝址河势图 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v模型试验研究的主要任务模型试验研究的主要任务 枢纽河段水力特性研究枢纽河段水力特性研究 枢纽泄流能力及泄流宽度确定枢纽泄流能力及泄流宽度确定 枢纽平面布置及优化研究枢纽平面布置及优化研究 船闸上、下引航道口门区通航水流条件研究船闸上、下引航道口门区通航水流条件研究 施工导流期间上下游水位变化、流场变化以及施工导流期间上下游水位变化、流场变化以及导流能力等研究导流能力等
7、研究 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v模型设计模型设计 几何比尺:几何比尺:110l流速比尺:流速比尺:1 210.49ul 阻力系数比尺阻力系数比尺:1 62.19nl 流量比尺流量比尺:5 2126905.9Ql 时间比尺:时间比尺:1 210.49tl 限制性条件验证:限制性条件验证:模型糙率制作:模型糙率制作:5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v模型验证模型验证 洪、中、枯水面线验证洪、中、枯水面线验证 流速分布验证流速分布验证 汊道分流比验证汊道分流比验证v模型试验过程简介模型试验过程简介 R1016150第一类方案枢纽总体布置平面图第一类方案枢纽总体
8、布置平面图 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验左汊泄水闸左汊泄水闸右汊泄水闸右汊泄水闸临时船闸临时船闸永久船闸永久船闸第二类方案枢纽总体布置平面图第二类方案枢纽总体布置平面图 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验左汊泄水闸左汊泄水闸右汊泄水闸右汊泄水闸永久船闸永久船闸R1015016第三类方案枢纽总体布置平面图第三类方案枢纽总体布置平面图 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验左汊泄水闸左汊泄水闸右汊泄水闸右汊泄水闸永久船闸永久船闸5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v试验结论及推荐方案试验结论及推荐方案 泄流能力:第一、三类布置方案泄流能力优于
9、第二方泄流能力:第一、三类布置方案泄流能力优于第二方案。案。船闸通航水流条件:三大类方案下引航道口门区横向船闸通航水流条件:三大类方案下引航道口门区横向流速较大。第一类布置方案的临时船闸通航水流条件流速较大。第一类布置方案的临时船闸通航水流条件较差,使用条件受限较差,使用条件受限。水力特性分析比较:第二类布置方案中枯水时主流由水力特性分析比较:第二类布置方案中枯水时主流由右汊电站泄流,即主流在右汊,与天然河道情况相反,右汊电站泄流,即主流在右汊,与天然河道情况相反,洪水时两汊分流比与天然河道分流比差别较大,因此洪水时两汊分流比与天然河道分流比差别较大,因此对河势的影响较大。对河势的影响较大。枢
10、纽总体布置推荐类方案:第三类布置方案枢纽总体布置推荐类方案:第三类布置方案 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v推荐类布置方案的详细优化试验研究推荐类布置方案的详细优化试验研究 90m 株洲航电枢纽推荐方案平面布置株洲航电枢纽推荐方案平面布置 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 v泄水建筑物的作用及重要性泄水建筑物的作用及重要性一、泄水建筑物的主要出流类型一、泄水建筑物的主要出流类型 v泄水建筑物种类泄水建筑物种类 溢流坝溢流坝 大孔口式、开敞式大孔口式、开敞式 坝体泄水孔坝体泄水孔 水工隧洞水工隧洞 岸边溢洪道岸边溢洪道 水闸水闸v出流类型出流类型 堰
11、流堰流、闸孔出流(孔流)、闸孔出流(孔流)5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 三峡泄水建筑物三峡泄水建筑物二滩拱坝泄洪二滩拱坝泄洪二、消能工主要形式二、消能工主要形式 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 底流消能底流消能 挑流消能挑流消能 面流消能面流消能 消力戽消能消力戽消能 洞内突扩消能洞内突扩消能 辅助消能工辅助消能工 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 三、模型相似准则及限制条件三、模型相似准则及限制条件1、相似准则:几何相似、重力相似准则、相似准则:几何相似、重力相似准则2、限制条件:、限制条件:v雷诺数限
12、制雷诺数限制 v阻力相似限制阻力相似限制 v水力基本要素限制水力基本要素限制:流速、水深流速、水深 v模型变态限制模型变态限制:不得采用变态模型:不得采用变态模型v模型范围限制模型范围限制v模型制作精度限制模型制作精度限制 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 四、试验内容和方法四、试验内容和方法1、泄流能力、泄流能力v堰流堰流 3/202sQm BgH 3/23/2022QmBgHmBg ZZ3/23/2022QQmBgHBg ZZ 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 堰流泄流能力
13、试验步骤堰流泄流能力试验步骤 =0.25=0.5=0.75相对开度=120Z(m)30405060708090100150200250Q(m/s)350Q =146.5校校Z =30.940QZm=0.3814-0.00282(Z-24)m3Q(m/s)16012080400.50.40.332313029282726Z(m)25 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 孔流:孔流:22dQgHg ZZ22dQQgHg ZZ=0.25=0.5=0.75相对开度=120Z(m)30405060708090100150200250Q(m/s)350Q =146.5校校Z =3
14、0.940QZm=0.3814-0.00282(Z-24)m3Q(m/s)16012080400.50.40.332313029282726Z(m)252 2 水面及水面线水面及水面线v水面线施测的目的水面线施测的目的v测读方法测读方法 侧面直读法:标尺、水准仪侧面直读法:标尺、水准仪 活动测针架法活动测针架法 自动跟踪水位计法自动跟踪水位计法 联合法联合法3 3 流速流向流速流向v断面布置、垂线布设、流态观测断面布置、垂线布设、流态观测 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 4 4 动水压强动水压强v 测压管布设、压强测读、数据整理测压管布设、压强测读、数据整理 5.
15、2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 测压管布置测点压强沿程分布线测压管布置测点溢洪道底坡线消力池5 5 脉动压强脉动压强 v脉动压力的危害:增大瞬时荷载、共振脉动压力的危害:增大瞬时荷载、共振 v脉动压强的测量:专门的压力传感器脉动压强的测量:专门的压力传感器6 6 局部冲刷局部冲刷 v模型沙的选择:抗冲流速、起动相似模型沙的选择:抗冲流速、起动相似v模型河床的铺设:范围、分层模型河床的铺设:范围、分层v冲刷时间:采用极限冲刷平衡时间冲刷时间:采用极限冲刷平衡时间 v试验成果整理试验成果整理 量测冲淤地形量测冲淤地形 分析冲刷坑的长度、宽度、深度、坡度、中心分析冲刷坑的长
16、度、宽度、深度、坡度、中心位置等位置等 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 7 7 折冲水流折冲水流8 8 冲击波冲击波9 9 通气通风通气通风10 10 体形优化体形优化11 11 洞塞消能洞塞消能12 12 底流消能底流消能 13 13 挑流消能挑流消能 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验v底流消能试验的步骤底流消能试验的步骤 按照相似理论制作水工模型按照相似理论制作水工模型 确定工况确定工况 确定收缩断面弗汝德数确定收缩断面弗汝德数 确定水跃位置及衔接方式确定水跃位置及衔接方
17、式 消力池深度优化消力池深度优化 消力池长度优化消力池长度优化 闸门调度方案闸门调度方案 辅助消能工辅助消能工v挑流消能试验的步骤挑流消能试验的步骤 设计模型设计模型 水舌参数的测定水舌参数的测定 冲刷坑测定冲刷坑测定 优化试验优化试验 改变冲刷位置改变冲刷位置 增强河床抗冲能力:护底、二道坝、齿墙增强河床抗冲能力:护底、二道坝、齿墙 挑流偏角挑流偏角5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验5.3 水流空化及掺气减蚀模型试验水流空化及掺气减蚀模型试验 一、概述一、概述v空化空蚀的概念及危害空化空蚀的概念及危害v减少空蚀的措施减少空蚀的措施 优化过流的体型优化过流的体型 控制
18、过流面的不平整度控制过流面的不平整度 增加工程材料的抗蚀性能增加工程材料的抗蚀性能 掺气减蚀措施掺气减蚀措施5.3 水流空化及掺气减蚀模型试验水流空化及掺气减蚀模型试验二、相似准则和模型设计二、相似准则和模型设计v 空化问题相似可以分为空化问题相似可以分为空化水流相似空化水流相似和和空蚀相似空蚀相似v 空化的特点空化的特点 分空化水流的产生、发展、溃灭三个阶段分空化水流的产生、发展、溃灭三个阶段 水体不连续,不能看做不可压缩的水体不连续,不能看做不可压缩的 比尺效应明显:几何比尺、水体品质比尺效应明显:几何比尺、水体品质 研究初生空化具有重要工程意义研究初生空化具有重要工程意义v 空化数、初生
19、空化数空化数、初生空化数22avgPPPKu00KKKK:不发生空化 :发生空化 v相似准则相似准则 满足几何相似、水流的运动相似和动力相似满足几何相似、水流的运动相似和动力相似 遵循佛汝德相似准则遵循佛汝德相似准则 模型与原型的水流空化数应相等模型与原型的水流空化数应相等v 空化水流模型相似比尺空化水流模型相似比尺5.3 水流空化及掺气减蚀模型试验水流空化及掺气减蚀模型试验 1 2ul25lQ21lt61ln22()()22avavmpmpPPPPPPKKugugv掺气减蚀模型相似条件掺气减蚀模型相似条件 模型掺气设施处水流速度宜大于模型掺气设施处水流速度宜大于6m/s6m/sv模型设计模型
20、设计 使模型与原型的空化数相同的办法使模型与原型的空化数相同的办法 尽可能选择尽可能选择较大较大的模型比尺(缩尺效应)的模型比尺(缩尺效应)过流边壁糙率应尽量满足相似要求过流边壁糙率应尽量满足相似要求 对模型材料必须做强度校核,连接牢靠平整对模型材料必须做强度校核,连接牢靠平整 应使模型掺气设施处水流速度大于应使模型掺气设施处水流速度大于6m/s6m/s(通气量相似)(通气量相似)5.3 水流空化及掺气减蚀模型试验水流空化及掺气减蚀模型试验 1 2ul25lQ21ltn相似比尺:相似比尺:5.4 水电站有压引水系统非恒定流模型试验水电站有压引水系统非恒定流模型试验 一、概述一、概述v有压引水系
21、统设计中需要解决的问题有压引水系统设计中需要解决的问题流量变化流量变化 压力变化压力变化 水锤水锤 5.4 水电站有压引水系统非恒定流模型试验水电站有压引水系统非恒定流模型试验v有压引水系统非恒定流模型试验的特点有压引水系统非恒定流模型试验的特点 时间因素在模型设计和试验观测中必须严格对待;时间因素在模型设计和试验观测中必须严格对待;最小允许雷诺数控制没有太大意义,唯有用尽可能大最小允许雷诺数控制没有太大意义,唯有用尽可能大的模型尺寸并适当控制模型边壁糙率,以求阻力相似的模型尺寸并适当控制模型边壁糙率,以求阻力相似偏离较小。偏离较小。水锤传播速度与固体边壁的弹性变形有关,模型材料水锤传播速度与
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