1、河工模型变态问题,模型变态的必要性,从相似论的基本要求出发，模型自然以满足几何相似做成正态为好，由于种种条件的限制，不得不在某种程度上降低几何相似的要求，将模型做成变态。这些限制主要来自两个方面：模型的平面比尺不能过小(即模型不能过大)。 在不少情况下，由于试验场地面积的限制，使模型不能够做得太大，也就是模型的平面比尺不能太小。除了场地面积这个因素以外，还有建造模型的工作量问题，以及模型建成以后模型试验运转工作量问题。供水系统的流量限制也是一个重要因素。模型的铅直比尺不能过大(即模型铅直方向的深度不能过小)。主要是模型的水深不能太小，如果模型的水深过小，就有可能引起一系列的问题：如模型中的流速
2、太小，量测精度难以保证；模型水流的雷诺数太小，不能保证水流的充分紊动；表而张力影响太大，超过了允许限度；模型所要求的糙率系数太小，采用一般制模材料，即使尽可能磨光也难以达到要求，等等。,模型变态的类型,几何变态比降变态时间变态泥沙变态流量变态,模型变态的类型,几何变态：,模型变态的类型,比降变态,、,将整个正态或变态模型按设计要求把整个模型比降加大或减小m倍,模型变态的类型,时间变态由水流连续：由悬移质运动引起河床变形 由推移质运动引起河床变形,这是由模型选用轻质沙的原因造成。考虑河床变形相似，总是按t 或t“来控制放水,模型变态的类型,泥沙变态,也不相似,模型变态的类型,流量变态,模型变态对
3、水流运动的影响,连续方程式,从水流连续方程式和运动方程式,模型变态对水流运动的影响,运动方程式,模型变态对水流运动的影响,可以导出有关比尺关系式,并获得从严格的相似理论来说，模型必须做成正态；在三度非均匀的情况下，模型只能做成正态在纵剖面二度均匀流的情况下，模型最宜做成变态,也就是说，凡是二度性（纵剖面二度性）及均匀性愈强烈的河道水流，模型被做成变态的可能性愈大，所允许的变率也愈大。反之，凡是三度性及非均匀性愈强烈的河道水流，模型不宜做成变态。如果，在特殊情况下，被迫做成变态，则对它的变率必须严格控制。,几何变态模型，河道断面形态由宽浅变为窄深。促使水流三度性增强。孔口变形使过流状态及过流系数
4、不相似（水工水利学模型应注意）。断面糙率分布不相似，使流速分布、流速场不相似。时间变态将导致洪水波及水库回水上延的传播速度不相似,模型变态对水流运动的影响,对顺直河段纵向水流运动：模型变态对纵向水流运动相似性没有影响对纵向流速垂线分布垂线流速分布不相似,模型变态对水流运动的影响,弯道水流对纵向水流运动对横比降对河底平面水质点运动方向的影响对环流的影响对环流强度的影响对环流旋度的影响对弯道横向流速垂线分布的影响对环流消失长度的影响,模型变态对水流运动的影响,弯道水流对纵向水流运动对弯道水流动力轴线没有影响弯道内，垂线平均流速沿河宽及河长的分布可以达到相似或不相似变态模型内垂线平均流速偏向凹岸对横
5、比降变态对横比降相似没有影响,模型变态对水流运动的影响,弯道水流对河底平面水质点运动方向的影响变态模型的河底流向较正态模型为大，增大的数值与变率成正比对环流的影响变态使环流与原型不一致对环流强度的影响变态模型的环流强度随变率增大而增大，从而加大了泥沙的横向输移对环流旋度的影响变态模型中的环流旋度大于原型正态模型，底沙横向输移量变态模型比正态模型（或原型）要大，造成凸岸淤积增多,模型变态对水流运动的影响,弯道水流对弯道横向流速垂线分布的影响变态使横向垂线分布与原型不相似对环流消失长度的影响变态模型中的环流消失长度与原型不相似详情请见张红武硕士论文、长江科学院（1990年）进行的系列模型试验对变率
6、影响的研究报告,模型变态对泥沙运动的影响,对推移质的影响变率对推移质的影响主要体现在泥沙的起动和输沙率两方面。与平床和纵剖面变化大小及模型沙水下休止角等有关对悬移质的影响对悬移质浓度垂线分布的影响悬移质垂线含沙量分布不相似对含沙量的影响由于悬移相似存在两个比尺，故含沙量比尺也存在两个比尺。目前较多的做法是，验证试验后含沙量比尺取验证值。故变态的影响不那么突出,变率允许值的确定,变率允许值确定的三种方法：从水流结构的角度从泥沙运动的角度从河床演变的角度,变率允许值的确定,从水流结构的角度以往文献往往根据在水槽试验中获得二维流的宽深关系来确定对变率的限制。根据坎鲁根的研究，在糙率分布均匀，水流位于
7、阻力平方区条件下，边壁影响流速场的宽度约为2.5倍水深h。设水面宽为B，则在B-22.5hB-5h内，水流将具有二维流性质，不受边壁的影响。因此，过水断面内二维流区域存在的条件为B/h5。如果糙率分布不均匀，水流不位于阻力平方区内，这个数字还将有所变化，在河底糙率较大，边壁糙率较小的条件下，这个数值还将减小。 根据冈恰洛夫的研究，要使流速场与二维水流的流速场比较接近，则要求B/h10。根据洛西耶夫斯基的水槽试验当水槽中的宽深关系小于一定程度(例如8)之后，断面内的环流方向和数目都可能发生变化。据此，认为保证断面内环流方向和数目不发生变化的限制条件为B/h8。,变率允许值的确定,从水流结构的角度
8、根据上述试验成果，曾提出关于模型变率的不同限制数值，大体上的范围是，模型水流的宽深关系应满足以下条件：,应该指出，这样的限制条件只具有相对的参考意义，因为模型水流在断面中心部分有一定区域与原型同为二维水流，并不等于模型水流就和原型水流相似。另外，关于模型水流的环流问题更是一个复杂的问题，环流的方向及数目即使无变化，也不等于模型环流就和原型环流相似。,变率允许值的确定,从水流结构的角度张瑞瑾认为：模型变率的限制，可从变态模型水力半径。偏离正态模型水力半径的程度来加以讨论。假定过水断面为矩形，令变态模型的长度比尺为l、h；正态模型的长度比尺为h，可导出 :,变率允许值的确定,从水流结构的角度由前式
9、甚易看出，当原型宽深比Bp/hp较大时，变率稍大一些，水力半径的偏离不会很大；相反，如果原型宽深比较小，变率稍大一些，水力半径的偏离就会很大。因此，在假定水力半径偏离不能过大的条件下（,），宽深比较大的平原河流与宽深比较小的山区河流，其允许变率是不同的，前者可采用稍大的变率而后者可采用的变率是很小的。 张瑞瑾还提出：河道水流均匀性的模型变态指标Dv,变率允许值的确定,从泥沙运动的角度比降法起动流速法希尔兹曲线法,变率允许值的确定,从河床演变的角度河相关系法拉塞稳定断面理论法河床稳定性法,结语,对变率允许值的确定。过去大多从水流结构角度来考虑，对游荡性河道，有些学者从河床演变角度来考虑。我们认为
10、，从水流结构和泥沙运动角度来考虑，可以保证模型和原型水流结构和泥沙运动具有某种程度的相似，这是微观方面的相似；而从河床演变角度来考虑，则可以保证模型和原型宏观方面的相似。为确保模型与原型微观和宏观的相似，应综合变态对水流结构、泥沙运动和河床演变的综合影响。在变态模型中，垂直方向的动力和动态是不相似的，水平方向的动态和动力在垂直方向的分布也是不相似的，而模型变态之后，河底阻力系数为原型的倍，河底糙率系数为原型的 倍，故将不可避免地要加糙，从而改变紊动的猝发性质，这种改变可能加强垂直方向的不相似性，也可能减弱垂直方向的不相似性，其结果可能使不相似的物理量更加不相似，也可能使不相似的物理量趋于相似，因此，在选择变率时，糙率问题也应加以考虑。,结语,从水流结构角度来看，变率允许值决定于天然河流的深宽比，变率的大小是相对于具体河段的数值。我们在讨论变率对水流泥沙运动的影响时，是应该针对具体河段才有意义，所以在讨论变态对水流泥沙运动影响时，我们认为，合理的提法应该是，模型宽深比（B/h）m多大时，变态对水流泥沙运动的影响有多大。,
