[科普中国]-水力模型试验-

水力模型实验，是指根据水动力、泥沙运动相似原理，建立比尺模型，研究港口工程建设中潮流、波浪、泥沙及工程布置问题。根据研究任务不同，水力模型可分为整体模型、断面及构模型两大类。1

简述水力模型试验是一项专门的科学技术，它是根据水流相似原理在按一定的比尺制作的模型中，复制出与原型相似的水流状态和水流现象，然后将模型中观测的水流运动要素和流态再按相似准则换算到原型中去。它是人们正确认识水流运动规律的重要途径之一。

水流运动是一种非常复杂的自然现象，许多水力学问题仅仅依靠理论分析或者利用经验公式求解都有一定的局限性，通常需要结合水力模型试验加以解决。水利工程中的水力计算如堰流、闸孔出流、消能等，都是在理论分析的基础上，通过水力模型试验进行完善和补充的。实际工程中的许多水力学问题需要应用试验研究寻求解答，特别对于重要的水工建筑物设计，往往要经过水力模型试验进行验证才能付诸实施，以确保工程的安全。可以说，水力模型试验对于水利水电工程的设计、施工和管理运用，都有着十分重要的意义。

在水利工程中，水利枢纽的整体布置方案和枢纽上下游的水流条件以及对通航的影响，需要通过模型试验进行观测试验；预测水库建成后发生的泥沙淤积、下游河道的冲刷演变，需要通过模型试验研究进行预报；在水工建筑物设计中，对其过流能力、边界上的压力分布以及建筑物下游水流的衔接、消能和防护等，需要通过模型试验进行检验和修正；大中型水利枢纽的施工导流方案、截流方案，需要通过模型试验确定；管理运用中发现的结构物振动、空蚀破坏、下游河岸的冲刷等，一般也需要通过模型试验探讨其发生的原因和条件，研究改进措施。

当然，水力模型试验由于受模型设计中不同相似准则要求的矛盾和试验测试手段的限制，对某些问题的研究还只能给出定性的估计和预测；与采用“数学模型”求解相比，还存在速度慢、投资多等缺点。但是，如今还没有哪一种方法能够完全代替水力模型试验在工程水力学问题研究方法方面所发挥的作用。2

原理在水力学的研究中，从水流的内部机理直至与水流接触的各种复杂边界，包括水力机械、水工建筑物等方面的设计、施工、运行管理等有关的水流问题，都可应用水力学模型试验来进行研究。

1．比尺、基本比尺、导出比尺

比尺是指原型与模型对应的物理量之比，比尺的数目与物理量的个数相同。所有的物理量都可用基本物理量的指数乘积来表示。基本比尺是相互独立的基本物理量的原型与模型之比，基本物理量通常取长度、时间和质量（或力）；导出比尺是指由基本比尺以指数形式的乘积组成的比尺。

2．几何相似、运动相似和动力相似

如果原型与模型两个流场的相应点上，所有表征流动状况的相应物理量存在一定的比例关系，则这两种流动是力学相似的。要满足力学相似，必须满足几何相似、运动相似和动力相似。3

模型类型水力模型试验按照研究任务不同，可以采用不同类型的模型。主要分为以下几种。

(一)按照模型的范围分类

1．整体模型

包括所研究的整个试验河段和水工建筑物的模型，程的总体布置和河道的整治方案时，常采用整体模型。

还有一些水工建筑物两边对称，水流情况也对称，这种模型习惯上叫半整体模型。叫做整体模型。当研究水利枢纽工这时可以将其中的一半制成模型，

2．断面模型

从建筑物中取出孔或半孔制成模型，安装在玻璃水槽中进行试验，这种模型称为断面模型。当研究二元水流问题时，例如溢流坝面的压力分布和冲刷消能等，可采用断面模型。

(二)按照模型的几何比尺分类

1．正态模型

将原型的三个空间尺度（长、宽、高）按统一的比尺缩放的模型，叫做正态模型。一般水工建筑物模型均采用正态模型。

2．变态模型

因受各种条件限制，例如供水量、试验场地、模型粗糙度难于实现和水流流态不能满足时，可采用竖直和水平比尺不同的模型，即变态模型。在进行河道试验时，由于天然河道的水平尺度比水深大得多。经常采用变态模型。

(三)按照模型的底面是否能够冲刷分类

1．定床模型

模型的边界做成固定的，即定床模型。定床模型主要用来研究建筑物的过流能力、压力分布和水流的流态。

水库模型也可按照修建前的河道地形图制作定床模型，在定床模型上研究水库建成后，多种运用条件下的淤积、冲刷的问题。

2．动床模型

若研究水工建筑物局部冲刷或河床演变问题，需要用既可冲动。又能在水中沉淀淤积的材料塑造模型，这种模型叫动床模型。常用的动床模型材料有：天然砂、粉煤灰、塑料沙、滑石粉、粉碎的核桃屑等。

上述分类方法是水力模型试验最常用的分类方法。除此以外，有时也有按研究任务、性质和试验采用的介质分类的。例如。把研究水利枢纽和水工建筑物的水力学问题的模型，称为水工模型；研究河道整治和河床演变的，称为河工模型；研究地下水渗流的，称为渗流模型等。

水力模型试验，有时还利用空气作为介质，来研究水利枢纽的布置、河床演变等问题，这种模型称为气流模型。2

特点任何事物都是一分为二的，水力模型试验也是具有优点和缺点的，一般地说，模型试验的优点是：

1．可简化自然现象，自然现象的影响因素复杂而且相互牵连，通过试验则可抓住主要因素，忽略影响不大的次要因素，从而使复杂问题得到简化；

2．可重复显示水力现象，对于同样的水力现象，在天然情况下出现或重复一次可能要许多年，而在模型实验中可多次重复进行，便于研究；

3．有些设计条件在天然情况下往往不容易得到，在试验中则可严格按照设计条件进行控制，从而可以寻找设计的合理性和存在的问题；

4．创造一些特定的条件以预示将来的情况（例如百年一遇洪水，千年一遇洪水的情况）和摸索变化的规律。

由于模型试验与自然条件毕竟不是完全相同的，所以也存在如下一些缺点：

1．不能完全模拟自然条件，只能反映出主要规律，因此必然有误差；

2．由于模拟理论本身的不完善，使得模型和原型不能完全相似，所以从模型换算到原型有一定的误差。4

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所