项目二水工建筑物模型泄水建筑物消能型式.docx
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项目二水工建筑物模型泄水建筑物消能型式
福州大学土木工程学院本科实验教学示范中心
学生实验指导书
水工模型试验
实验指导书
福州大学土木工程学院水工模型实验室编
2007年7月28日
前言1
实验项目一：
水工模型试验量测仪器的参观与操作认识实习4
实验项目二：
水工建筑物模型——泄水建筑物消能型式实验6
实验项目三：
水工建筑物模型——泄水建筑物过流能力实验10
实验项目四：
定床河流模型实验13
实验项目五：
动床河流模型实验16
实验项目六：
输移物质和热量传输模型实验20
前言
一、水工模型试验实验课的改革
水工模型试验是工科院校土建水利类学科的一门专业实践课程。
水流运动是一种非常复杂的自然现象，对各种作用力存在的情况和它们发展的规律可通过水工模型实验来复演或预演原型的复杂水流现象，通过方案比较和修改可获得水工建筑物的优化布置和体型，从而为水利工程规划、设计、运行、管理提供科学的理论和技术的指导。
目前在许多领域里采用水工模型以解决工程问题已成为公认的标准方法。
水工水力学问题的研究是建立在实验、理论和计算三大支柱上的，是实践性和理论性都较强的学科，它涉及到大量的概念、定义、模型、计算和实验等。
虽然实验教学对本课程非常重要，但传统的实验教学存在许多与当代教学不相适应之处，如实验内容局限于古典而缺乏新意；仪器陈旧，大多沿用50年代的的老设备，且往往学生多，仪器台数少，动手率低；教学注入式为主，缺乏现代辅助手段，学生自主性不足，等等。
因此，我们乘“211”的强劲东风，进行实验室的改造，包括新型实验仪器和CAI实验教学软件，这些仪器具有技术先进，测量精度高，流动现象可视化性强，。
引进的CAI实验教学软件教学辅助功能齐全。
每项实验CAI均包括仪器仿真，动态操作界面、实验原理、数据采集、成果分析、操作指南和问题解答。
可供学生在计算机上进行各项实验的过程操作、数据采集和成果分析，还设有实验提示、错误纠正等功能，以辅导学生按正确途径深入有序地进行实验。
所附的实验原理和问题解答除用文本形式外，均以多媒体动画和录相的形式给出，形象生动、简单易懂，可供学生实验预习与答疑，帮助学生成功地完成实验。
二、水工模型试验实验课的目的
水工模型试验实验教学的主要目的在于让学生认真观察水利枢纽中的各种水流现象，观察并思考水流与约束水流运动的边界（包括各种水工建筑物）之间的相互作用，归纳出水利工程中常遇到的问题，如：
水力荷载、水流流动形态、水能利用和水能消耗及其他特殊的水力学问题，如：
空蚀、掺气、挟沙及污染的扩散问题。
这些问题如何解决正是水工模型试验所研究的主要内容。
以水工建筑物整体模型试验作为设计型实验，在水力学实验大厅和露天模型场进行。
根据某水利枢纽的试验任务，让学生结合本校实验室的实际条件（如实验场地、循环水设备等），通过实地勘测、调查，拟定实验方案，包括：
相似准则、模型范围、模型比尺的选定，模型设计和制作（要求画出模型的平面和高程布置图，做出2~3个有代表性的模型断面板等），实验仪器和设备的选定，拟定实验内容和实验步骤（包括记录表格的设计）等。
然后，在现有的模型（如水口水电站模型、棉花滩水电站模型等）上放水试验。
试验内容：
水位流量控制，水位流速量测，流态观测和描述等。
这项实验的意义在于：
在完成实验课的过程中，学生可以凭借自己已有的知识和技能（如测量学、建筑材料学、水力学、实验误差理论等），展开丰富的想像，通过创造性思维，提高自己的综合应用能力。
归纳而言，水工模型试验课程实验的目的主要是为了培养学生以下三方面的基本技能和基本知识：
知识方面：
通过实验操作和测量，培养水利专业的本科生了解有关水工模型试验的基本原理和主要方法，要求学生掌握进行水工模型试验所需的多方面基本知识，初步具备从事试验量测工作的基本操作技能，为今后从事水工结构的科研设计工作打下基础。
能力方面：
本课程的实验教学重点在于使学生掌握模型试验的实验设计技巧，使学生能够综合考虑工程对试验的要求，基本原理、定动床河道模型、操作技术、量测技术等方面的因素，对一般工程项目进行试验方案的筹划，以便得出正确的试验成果，具备应用量纲分析、流动相似的基本原理进行模型实验和科学研究的初步能力，掌握仪器和实验设施的操作技能；具备通过自学获取新知识的能力。
素质方面：
通过课程实验教学，了解水工模型试验在水利工程建设中的重要地位以及模型试验的发展进程和现状。
初步具备从事试验量测工作的基本技能。
三、水工模型试验教学实验守则
1．实验前必需详细阅读实验指导书，参阅有关教材，明确实验目的和要求、熟悉实验仪器和设备，有关原理和实验步骤（指导书中未列出步骤的，学生必须自己拟定实验步骤并设计好记录表格）、注意事项等，做到实验前心中有数。
2．认真进行实验，严守操作规程，进行合理分工，协调操作，细心观察水流现象，认真分析思考，及时记录原始数据，有关的计算和绘画工作应与实测工作同时进行，以便及时检查实测是否有误，一旦有误，及时更正，不得任意任意更改。
课后认真独立完成实验报告。
3．实验课听从教师指导，保持安静，不得动用与本实验无关的设备，注意实验安全，保持场地卫生，实验完毕后应整理好仪器设备，经教师同意方能离开。
四、实验报告的要求
1．报告内容：
甲、实验目的要求：
乙、实验原理简述：
丙、水流现象描述和原始实验数据：
丁、实验成果整理和曲线图表绘制及结论与问题讨论。
2．每人独立完成实验报告，一律用福州大学毕业设计论文报告纸，要求文字通顺，字迹清楚，用工具绘图。
3．实验报告经教师批阅后，应认真阅读和改正，不合格者需重做实验或重做实验报告。
五、实验注意事项
1．凡装有测压管的实验，实验时应先排尽管中的空气。
2．用重量法或体积法测流量时段应尽可能长些，以便获得较高精度。
3．凡水力要素波动不定时，不能读其瞬间值，应读其平均值。
4．在玻璃水槽中做实验时，如需调节下游水深，应缓慢操作，水位测针车亦应沿轨道缓慢移动。
5．测量恒定流时的各种数据时，应待水力要素（如量水堰堰上水头、堰前水位、下游水位等）稳定后方可量测。
6．测定表面波动较大的水流的水位时，用有量水筒的测针量测，要待水筒的水位与水槽内水位齐平时再测，并注意测针尖与水面接触。
六、水工模型试验实验室概况
本实验室与水力学实验室共用所有资源和设备，主要由700m2实验大厅、100m2实验教室和以泵房为中心的循环水系统，以及办公观测用房与附属实验场等组成。
实验大厅内装有一条宽度B=80cm的玻璃水槽供科研用，备有两条B=40cm的玻璃教学实验用，提供一定的场地面积可供水力模型试验使用，并配置有各种电测仪器与设备。
实验教室内装设有各种教学实验用的实验测定和演示仪器。
泵房内装有四台水泵，总供水流量为365升/秒。
地下水库容量为150m3，平水塔高度8米，其容量为50m3。
另设置多条供水管道和回水地沟，组成循环水系统，能对多个地点稳定地提供不同的流量需求，使用可靠方便。
实验指导
实验项目一：
水工模型试验量测仪器的参观与操作认识实习
一、实验目的要求
1．水工建筑物其水力学问题常因边界型式特殊，边界条件复杂需通过模型试验解决。
通过水工模型试验参观和操作认识，使学生初步了解模型试验设计、试验内容和试验方法，以及如何通过结构优化解决工程实际问题。
2．了解相似性力学基本原理；
3．掌握流速、流量、压强等动水力学要素的实验量测技能。
4．介绍水工模型试验相关实验方法与仪器，介绍试验要测的数据，量测仪器的基本组成，量测仪器的主要技术指标，对测量仪器的基本要求。
二、实验仪器设备
1.数字流速流向仪；2.多点流速测量系统；3.自动水位跟踪仪；4.20点动态应变仪；5.各种压力传感器；6.数据采集系统；7.ADV测速仪；8.PIV测量系统
三、实验仪器设备介绍
现代水工模型实验室除供水系统、标准量水堰、玻璃水槽、减压箱、循环水洞等基本固定设备外，适用的量测仪器尤属重要，因为它直接关系到实验结果的准确性和可靠性。
量测仪器可分为常规仪器和电子仪器两大类。
前者常用的有测针、测压管、毕托管和文丘里水量计等，用以测量模型水位、压力、流速和流量等水力要素；后者则根据具体观测对象，设计制成各种专用仪器，进行自动和遥控测读。
实践证明，这两类仪器可互补长短，都很重要。
应该指出，自六十年代以来，随着激光和电子计算机技术的迅速发展，机关流速仪等新型测试仪器及以计算机为中心的数据采集、处理和控制系统，已逐步应用于水工模型试验，极大地丰富了试验研究的内容。
过去认为无法研究的问题，现在成为可能。
因此，水工模型试验的重要性，由于量测仪器的进步和新技术的应用，更为人们所重视。
模型制作的基本材料和工具；
旋浆流速仪测单点流速；
ADV测量流速；
20点动态应变仪、压力传感器测量压力；
水位跟踪仪的使用等
水位测控仪旋浆流速仪
进水口模型大坝整体模型
四、水工模型试验研究的范围介绍
水工模型试验所解决的生产问题包括枢纽的合理布置，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，上下游水流的衔接，消能工的作用，建筑物下游局部冲刷，包括岸坡保护在内的防冲措施等。
河道模型研究的内容主要是治河工程对防洪、通航的影响，河道冲淤变化规律，以及研究防波堤消浪、放浪作用。
专题研究包括水利枢纽合理布置，施工导流截流，水工建筑物消能冲刷，泄洪洞水力学、紊流边界层，空化与空蚀，水流脉动与振动，明渠不稳定流，地下水渗流及环境流体力学等方面。
实验项目二：
水工建筑物模型——泄水建筑物消能型式实验
一、实验目的要求
1．运用模型试验基本原理，掌握按重力相似准则设计整体和局部模型时模型比尺的选择方法；
2．掌握泄水建筑物模型制作与设计方法和过程；
3．测量泄水建筑物的水流流态、流速、水深、水面线等水力参数，掌握测量这些水力参数的方法和操作技术；
4．根据设计的泄水建筑物体型，计算该泄水建筑物的消能率，并分析设计方案的可行性和合理性；
5．应用所学数学知识，处理和分析实验数据，并根据分析结果给出设计推荐方案和设计方案的修改建议。
6．本实验理论难度大，且实验项目涉及内容多，比较复杂。
二、实验仪器设备
1.数字流速流向仪；
2.多点流速测量系统；
3.自动水位跟踪仪；
4.20点动态应变仪；
5.各种压力传感器；
6.数据采集系统；
7.ADV测速仪；
8.PIV测量系统
三、模型制作与安装
泄水建筑物模型制作与安装是指在选定模型比尺和范围后，根据已定的几何比尺，把模型在实验室内建立起来的过程。
这是水工模型试验的重要组成部分。
就一个模型来说，如果模型材料选择恰当、制造安装比较合理，则对于节省试验经费、缩短试验周期、提高成果质量等方面都会有显著的作用。
因此，对模型制造和安装工作应给予很大的重视，要求做到仔细筹划，精心施工，并及时检查制模质量和进度。
这就需要丰富的本门业务知识和熟练的模型制作和安装技术。
选择模型材料主要应根据试验要求、材料性能、采购性能、采购方便、价格经济及加工难易等条件综合考虑。
常用材料有木材、砖、水泥、沙砾、有机玻璃、石蜡、金属材料等。
现以泄水建筑物水工模型试验常用的有机玻璃为例，说明如下。
有机玻璃的化学名称为聚甲基丙稀酸甲脂，是一种各方面性能都比较优良的热塑性塑料。
由于它的透明度高，耐老化性能好，在水工模型中得到了广泛的应用。
有机玻璃制模的最大优点是能直接观察水流流态，特别是泄洪洞、溢流坝等水道模型用有机玻璃制作，更能显示出它的优越性。
同时有机玻璃不存在吸湿变形问题，模型轻巧，安装拆卸方便，因而在断面和整体溢流坝模型制作时常选用。
有机玻璃模型具有能锯、刨等特点，因此基本属于没工范畴。
模型拼接根据需要在修改部位或分段安装部位用螺丝或螺栓连接，其他构件组装可以用有机溶剂粘接，在接缝处注入氯仿，数分钟后就能产生强度。
四、试验操作的基本要求
试验操作是水工模型试验中测取原始数据的基本手段，为搞好试验操作，应做到一下几点：
1）保证试验资料的准确、真实、可靠，避免量测上的错误，在允许的误差范围内，尽可能达到精度要求；
2）针对试验任务的要求，选择合适的量测仪器与设备，力求使用方便、量读迅速、精度和谐；
3）合理安排试验组次。
在观测部位精心部署施测断面、测线与测点，防止缺测、漏测。
尽量做到在每一种规定的试验条件下，能一次测取全部所需要资料；
4）认真做好试验记录，随测随记，不允许任意涂改，试验组次和量测数据较多时，应按统一记录格式记录，防止漏记和遗失，保证原始记录资料的系统性、完整性。
要注意加强对流态的观测，有详尽的素描和记述；
5）在试验过程中的水温和其它重要环境资料应有记录；
6）应在原始试验数据测取结束后，随即进行资料的整理与分析工作，以利及时发现问题减少差错。
而且可为下一步试验工作提供修改方向，又可与理论计算相对照，进行比较论证。
五、试验操作前的准备工作
试验操作前的准备工作，主要有以下几个方面：
1）建筑物的复核：
按照模型的控制坐标系统详细校核建筑物的轴线、桩号、主要控制安装高程、过流控制断面的几何尺寸等是否符合精度要求。
整体模型中建筑物的安装高程误差应控制在±0.5mm，局部模型安装高程误差应控制在±0.1~0.2mm以内。
2）供、排水系统的检查：
供水流量应满足模型最大流量的要求，闸门启闭设备应灵活、可靠、密实不漏水，水流进入模型前池时应有完善的消浪、扩散和静水装置，以保持建筑物进口来流的条件与天然的来流条件相似。
3）量测仪器的选用与检查：
对实验室测量仪器或设备，首先应了解和熟悉它们的性能、使用要求和精度范围，方能施测资料时准确量测各项数据，否则会因操作错误而损坏仪器。
4）记录用具的准备：
为做好试验数据的记录和资料整理、保存，应配备专用试验记录本或标准格式的专用记录纸。
六、试验操作程序
1.编制试验计划：
对试验任务的性质和需要研究的问题做出粗略的分析，编写试验大纲，确定试验步骤、组次、测试内容、测试手段、工作计划或进度安排等。
2.泄洪建筑物消能率的计算原理
对于底流消能工，对水跃的跃前和跃后断面应用能量方程即可导出水跃段水头损失
的计算公式：
则水跃的消能效率可表示为
因此，只要测量出跃前断面和跃后断面处的水深和流速，就可计算出底流消能工的消能率。
面流消能工和挑流消能工的消能率问题，可以参考《水力学》中的相关知识推导出相应的消能率问题。
3.试验量测数据的记录：
记录表格根据不同试验任务进行设计。
4.试验结果的整理和分析。
实验项目三：
水工建筑物模型——泄水建筑物过流能力实验
一、实验目的要求
1.运用模型试验基本原理，掌握按重力相似准则设计整体和局部模型时模型比尺的选择方法；
2.掌握泄水建筑物模型制作与设计方法和过程；
3.测量泄水建筑物的水流流态、流速、溢流坝面压力等水力参数，掌握测量这些水力参数的方法和操作技术；
4.根据设计的泄水建筑物体型，计算该泄水建筑物的过流能力；
5.应用所学数学知识，处理和分析实验数据，并根据分析结果给出设计推荐方案和设计方案的修改建议。
6.本实验理论难度大，且实验项目涉及内容多，比较复杂。
二、实验仪器设备
1.数字流速流向仪；
2.多点流速测量系统；
3.自动水位跟踪仪；
4.20点动态应变仪；
5.各种压力传感器；
6.数据采集系统；
7.ADV测速仪；
三、试验操作的基本要求
试验操作是水工模型试验中测取原始数据的基本手段，为搞好试验操作，应做到一下几点：
1）保证试验资料的准确、真实、可靠，避免量测上的错误，在允许的误差范围内，尽可能达到精度要求；
2）针对试验任务的要求，选择合适的量测仪器与设备，力求使用方便、量读迅速、精度和谐；
3）合理安排试验组次。
在观测部位精心部署施测断面、测线与测点，防止缺测、漏测。
尽量做到在每一种规定的试验条件下，能一次测取全部所需要资料；
4）认真做好试验记录，随测随记，不允许任意涂改，试验组次和量测数据较多时，应按统一记录格式记录，防止漏记和遗失，保证原始记录资料的系统性、完整性。
要注意加强对流态的观测，有详尽的素描和记述；
5）在试验过程中的水温和其它重要环境资料应有记录；
6）应在原始试验数据测取结束后，随即进行资料的整理与分析工作，以利及时发现问题减少差错。
而且可为下一步试验工作提供修改方向，又可与理论计算相对照，进行比较论证。
五、试验操作前的准备工作
试验操作前的准备工作，主要有以下几个方面：
1）建筑物的复核：
按照模型的控制坐标系统详细校核建筑物的轴线、桩号、主要控制安装高程、过流控制断面的几何尺寸等是否符合精度要求。
整体模型中建筑物的安装高程误差应控制在±0.5mm，局部模型安装高程误差应控制在±0.1~0.2mm以内。
2）供、排水系统的检查：
供水流量应满足模型最大流量的要求，闸门启闭设备应灵活、可靠、密实不漏水，水流进入模型前池时应有完善的消浪、扩散和静水装置，以保持建筑物进口来流的条件与天然的来流条件相似。
3）量测仪器的选用与检查：
对实验室测量仪器或设备，首先应了解和熟悉它们的性能、使用要求和精度范围，方能施测资料时准确量测各项数据，否则会因操作错误而损坏仪器。
4）记录用具的准备：
为做好试验数据的记录和资料整理、保存，应配备专用试验记录本或标准格式的专用记录纸。
六、试验操作程序
1.编制试验计划：
对试验任务的性质和需要研究的问题做出粗略的分析，编写试验大纲，确定试验步骤、组次、测试内容、测试手段、工作计划或进度安排等。
2.泄洪建筑物过流能力的计算原理
实用堰的计算公式为：
实验研究表明，曲线型实用堰的流量系数主要决定于上游堰高与设计水头之比
、堰顶全水头与设计水头之比
以及堰上游面的坡度。
因此，只要测量出上游堰高、作用水头和堰顶全水头，就可计算出给定实用堰的流量系数，并画出流量与堰顶水头的关系曲线。
3.试验量测数据的记录：
记录表格根据不同试验任务进行设计。
4.试验结果的整理和分析。
实验项目四：
定床河流模型实验
一、实验目的要求
1.运用定床模型试验基本原理，掌握按重力相似准则设计正态模型和变态时模型比尺的选择方法；
2.制作与设计定床河流模型断面；
3.测量水流流态、流速、水面线等水力参数；
4.掌握模型方案设定的方法；
5.学会应用所学数学知识，处理和分析实验数据，并根据分析结果给出设计推荐方案和设计方案的修改建议。
6.本实验理论难度大，且实验项目涉及内容多，比较复杂。
；
二、实验仪器设备
1.数字流速流向仪；
2.多点流速测量系统；
3.自动水位跟踪仪；
4.20点动态应变仪；
5.各种压力传感器；
6.数据采集系统；
7.ADV测速仪；
三、试验操作的基本要求
试验操作是水工模型试验中测取原始数据的基本手段，为搞好试验操作，应做到一下几点：
1）保证试验资料的准确、真实、可靠，避免量测上的错误，在允许的误差范围内，尽可能达到精度要求；
2）针对试验任务的要求，选择合适的量测仪器与设备，力求使用方便、量读迅速、精度和谐；
3）合理安排试验组次。
在观测部位精心部署施测断面、测线与测点，防止缺测、漏测。
尽量做到在每一种规定的试验条件下，能一次测取全部所需要资料；
4）认真做好试验记录，随测随记，不允许任意涂改，试验组次和量测数据较多时，应按统一记录格式记录，防止漏记和遗失，保证原始记录资料的系统性、完整性。
要注意加强对流态的观测，有详尽的素描和记述；
5）在试验过程中的水温和其它重要环境资料应有记录；
6）应在原始试验数据测取结束后，随即进行资料的整理与分析工作，以利及时发现问题减少差错。
而且可为下一步试验工作提供修改方向，又可与理论计算相对照，进行比较论证。
五、试验操作前的准备工作
试验操作前的准备工作，主要有以下几个方面：
1）建筑物的复核：
按照模型的控制坐标系统详细校核建筑物的轴线、桩号、主要控制安装高程、过流控制断面的几何尺寸等是否符合精度要求。
整体模型中建筑物的安装高程误差应控制在±0.5mm，局部模型安装高程误差应控制在±0.1~0.2mm以内。
2）供、排水系统的检查：
供水流量应满足模型最大流量的要求，闸门启闭设备应灵活、可靠、密实不漏水，水流进入模型前池时应有完善的消浪、扩散和静水装置，以保持建筑物进口来流的条件与天然的来流条件相似。
3）量测仪器的选用与检查：
对实验室测量仪器或设备，首先应了解和熟悉它们的性能、使用要求和精度范围，方能施测资料时准确量测各项数据，否则会因操作错误而损坏仪器。
4）记录用具的准备：
为做好试验数据的记录和资料整理、保存，应配备专用试验记录本或标准格式的专用记录纸。
六、试验操作程序
1.编制试验计划：
对试验任务的性质和需要研究的问题做出粗略的分析，编写试验大纲，确定试验步骤、组次、测试内容、测试手段、工作计划或进度安排等。
2.定床模型断面的制作：
在水工定床河道模型的制作中，河道地形缩制占很大的工作量，目前最常用的地形制作方法时断面板法，大致步骤如下：
1）在工程地形图上定出模型边界及地形制作范围；
2）在需做地形的范围内布置地形断面线并编号，断面线应考虑尽量与等高线垂直，为便于安装，习惯于等间距，垂直（或平行）于边墙或中心线布置。
间距大小视地形复杂程度而定，定位可借助于计算或绘图得出各断面控制点与某原点的距离和夹角。
3）在地形图上，用比例尺读出并列表记录每个地形断面等高线距控制导线的水平距离及相应高程。
等高线高程间距同样应视地形复杂程度而定，一般为原型5m左右。
4）绘制地形断面板。
通常用三夹板或白铁皮。
绘制好的断面板经校核后锯剪加工成地形模板，模板高度以安装方便，不产生扭曲变形且能尽量节省材料为宜。
5）断面板安装。
已加工好的断面板按编号依次置于模型相应断面位置上。
安装时将模板上的导线标记对准模型中相应导线位置，用水平仪定准高程后加以固定。
6）模型地形粉制。
模板间填料可用粗沙、米沙，分层排铺、夯实，用纯水泥浆将地形表面粉光。
3.预备试验、校正试验与验证试验
当模型制造完毕后，量测仪器及试验设备均安装就绪，开始正式试验之前，对河道定床模型试验来说还需要预备试验、校正试验或验证试验，其目的是对模型的相似条件做进一步的验证，包括与正式试验有关的一些率定工作、模型与原型之间的水力相似校正、河道糙率、水边线或水深的率定等等。
4.试验量测数据的记录：
记录表格根据不同试验任务进行设计，对于河道定床模型试验而言，主要是记录不同工况下（不同频率的流量、不同工程布置等），河道不同断面上的水深、水面高程、断面流速、流态或流向等。
5.试验结果的整理和分析。
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