相似原理及水力模型试验

环保工程师-专业基础-工程流体力学与流体机械-相似原理和模型实验方法[单选题]1.压力输水管同种流体的模型试验，已知长度比为4，则两者的流量比为()。

[2012年真题]A.2（江南博哥）B.4C.8D.1/4正确答案：B参考解析：同种压力输水管中，作用力主要为黏滞力，采用雷诺准则：λuλl/λv＝1，又因为是同种流体，则运动黏度相等，可得λu＝λl－1，且流量比尺λQ＝λA λu＝λl2λl－1＝λl，所以Q1/Q2>＝λQ＝L<s ub>1/L2＝4。

[单选题]2.明渠水流模型实验，长度比尺为4，则原型流量为模型流量的()倍。

[2013年真题]A.2B.4C.8D.32正确答案：D参考解析：由弗劳德准则可得原型与模型的速度比为：。

式中，v p为原型的速度；l p为原型的长度；v m为模型的速度；l m为模型的长度。

即。

则：，故原型流量为模型流量的32倍。

[单选题]3.下列关于流动相似的条件中可以不满足的是()。

[2016年真题]A.几何相似B.运动相似C.动力相似D.同一种流体介质正确答案：D参考解析：要做到模型与原型的水（气）流现象相似，并且把模型实验结果应用于原型，则模型与原型须做到几何相似、运动相似及动力相似，初始条件及边界条件亦应相似。

流动相似条件，流动相似是图形相似的推广。

流动相似是指两个流动的对应点上同名物理量（如线性长度、速度、压强、各种力等）应具有各自的比例关系，也就是两个流动应满足几何相似、运动相似、动力相似、初始条件和边界条件相似，所以D项不需满足。

几何相似是运动相似和动力相似的前提和依据。

动力相似是决定两流相似的主导因素。

运动相似是几何相似和动力相似的表现。

因此流动相似要满足几何相似、运动相似、动力相似。

[单选题]4.要保证两个流动问题的力学相似，下列描述错误的是()。

[2014年真题]A.应同时满足几何、运动、动力相似B.相应点的同名速度方向相同、大小成比例C.相应线段长度和夹角均成同一比例D.相应点的同名力方向相同、大小成比例正确答案：C参考解析：流体运动的相似包括：几何相似、运动相似、动力相似、边界条件和初始条件相似。

相似原理在流体力学的应用1. 引言流体力学是研究流体力学基本规律以及与流体相关的力学现象的科学。

相似原理是流体力学中非常重要的理论工具之一，通过寻找相似性，可以将流体力学问题简化为更易于解决的形式。

在本文中，我们将探讨相似原理在流体力学中的应用。

2. 相似原理的基本概念相似原理是基于两个物体或系统在某些条件下具有相同的无量纲参数，推导出它们之间物理规律相似的原理。

在流体力学中，常用的无量纲参数有雷诺数、马赫数、庚特数等。

3. 相似原理的应用案例3.1 飞机模型以飞机为例，为了研究飞机在不同速度下的气动特性，可以制造不同大小的飞机模型，保持雷诺数相同。

通过在实验中测量模型飞机的升力、阻力等参数，可以推导出与实际飞机相似的气动特性。

3.2 水流实验在水力学实验中，为了研究不同流速下的水流行为，常常采用比例缩小的模型，并保持雷诺数不变。

通过观察模型中水流的涡旋、湍流等特性，可以预测实际工程中的水流行为。

3.3 管道流动在研究管道内的流动时，相似原理可以用于推导出不同尺寸的管道中的流速、压力分布等参数之间的关系。

这样一来，我们可以通过在小尺寸管道上进行实验，得到与实际尺寸管道相似的结果，从而减少成本和工作量。

3.4 船舶模型试验在船舶设计中，为了研究船舶的阻力、操纵性能等特性，常常使用比例缩小的船舶模型。

通过保持雷诺数不变，可以推导出模型与实际船舶的流体特性相似的规律，为船舶设计提供有效的依据。

4. 相似原理的优点和局限性相似原理作为研究流体力学问题的工具，具有以下优点： - 通过将问题简化，可以减少实验或计算的复杂性。

- 可以通过实验获得对实际情况的预测，从而指导工程设计和优化。

然而，相似原理也存在一定的局限性：- 不同问题可能存在不同的无量纲参数，相似性可能不易寻找。

- 实际流体力学问题往往十分复杂，相似性的适用性可能受到限制。

5. 结论相似原理在流体力学中具有重要的应用价值，通过寻找无量纲参数的相似性，可以简化问题，并从实验中获得对实际问题的预测。

水工模型试验测量技术综述摘要:水工模型试验是解决工程实际问题，为理论研究和工程设计提供依据的重要手段。

基础数据的准确度与精确度直接关系到试验成果的质量，因此试验中的测量技术非常关键。

流速、流量、水位、压力、地形、泥沙含量等是模型试验中测量的主要数据，本文主要介绍了模型试验中这些数据的测量技术及存在的问题。

关键字:水工模型试验测量方法发展现状问题分析引言水工模型试验是根据相似原理，按照一定的相似比将需要研究的对象，如河流、水工建筑物等按一定比例缩小后，在缩小的模型中复演与原型相似的水流，进行水工建筑物各种水力学问题研究的实验技术，旨在定性或定量的揭示其运动规律或水力学特性，为理论研究和工程设计等提供依据。

自1870年弗劳德(Froude)首先按水流相似准则进行了船舶模型试验以来，随着水利事业的发展，水工模型试验水平在很大程度上有了提高，在理论设计、模型制作、试验测量、数据处理等方面都有了创新突破和发展。

模型试验中的数据测量对试验结果的质量起着至关重要的作用，数据的精确度和准确度直接关系到科研成果的质量。

在水工模型试验中主要需要控制和测量的参数有流速、流量、水位、压力、地形、泥沙等，测量仪器的精度、范围、性能等决定着测量结果的准确性，因而优良的测量技术是模型试验的前提和保障。

近年来随着激光技术、超声波技术、计算机技术及数字图像处理技术等先进技术的发展，模型试验测量技术有了较快的发展，但尚存在一些问题有待进一步研究，本文主要论述模型试验测量技术的发展及现在存在的一些问题。

1.发展现状1.1流速测量技术流体的流速是流场最基本的物理量之一，对流体流动特性的认识很大程度上取决于流场的获得，而大多数描述流场的物理量都直接或间接与流速有关，如环量、涡量、流函数、流速势函数等等。

在模型试验中流速的测量非常重要，随着技术的创新突破，流速的测量技术取得了较快的发展，从单点流速测量发展到多点测量，从单向到多向、从稳态向瞬态发展，从毕托管、旋浆流速仪、热线/热膜流速仪、电磁流速仪、超声波多普勒流速仪（ADV）、激光多普勒流速仪（LDV）、粒子图像测速仪（PIV）发展到VDMS法[1-3]。

水利模型试验正态几何模型
水利模型试验正态几何模型是一种用于研究水利工程问题的试验模型。

它将真实水利系统缩小比例，按照正态几何分布进行缩尺，以便于进行实验室试验。

这种模型能够通过力学相似原理将模型的实验结果推广到真实工程中。

在水利模型试验中，正态几何模型通常采用比例尺缩小进行，以保持模型环流和物理现象的相似性。

通过在模型中模拟真实水流和水压条件，可以评估和优化设计方案，研究水流流态、河床泥沙运动、水力特性等问题。

通过观察和测量模型试验的结果，可以为实际水利工程提供参考和指导。

需要注意的是，水利模型试验正态几何模型的具体设计和应用需要遵守中国的相关法律法规和水利工程设计规范。

确保试验过程安全可靠，并严格保护试验数据的合法性和机密性。

实验项目四：开放式研究型整体模型实验
以水力学整体模型试验作为设计型实验。

这个实验在水力学实验大厅和露天模型场进行，这是配合“相似原理和模型试验基础”一章的教学安排的。

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。

大体步骤如下：
1．由指导教师拟定或由学生自己选定实验课题；
2．根据课题任务和实验室条件，合理设计模型，包括模型类型、相似准则、模型比尺及流速、流量、压强、加速度、时间等各物理量的比尺；
3．制作枢纽模型和河床地形断面板（仅作其中的典型部分）；
4．画出模型的平面和高程布置图，并在图上标出有关量测断面和量测点；
5．制定实验方案和实验步骤，并设计实验记录表格，准备好量测所需的仪器和设备；
6．根据模型流量，启动水泵机组，放水进行实验；
7．待首部流量和尾部水位稳定后，观测水流流态，并进行有关量测，做好流态描述和量测数据的记录；
8．量测完毕后关闭水泵机组；
9．课后及时整理数据，分析实验成果，撰写实验报告，内容包括实验任务、模型设计和制作、实验步骤、量测记录、流态描述（含流态照片）、数据整理和分析（含数据表格、实验曲线和实验精度分析等）、实验结论等。

条件许可时可利用计算机整理实验数据和打印实验报告。

工程水力学总结工程水力学总结上册第三章相似原理及模型试验基础（P111例题3.15）1、相似原理的相似特征：几何相似、运动相似和动力相似几何相似：原型与模型保持几何形状和几何尺寸相似。

长度比尺：λL = LP / LM 面积比尺体积比尺运动相似：原型与模型两个流动中任何对应质点的迹线是几何相似的，而且任何对应质点流过相应线段所需的时间又是具有同一比例关系。

时间比尺速度比尺加速度比尺动力相似：作用于液流的各种作用力均保持一定的比例关系。

作用力比尺上述三种相似是模型和原型保持完全相似的重要特征。

它们是相互联系、互为条件的。

2、单项力作用下相似准则：（1）重力相似准则：作用力只有重力时，两个相似系统的Fr 应相等，这就叫做重力相似准则，又叫弗汝德数相似准则。

λV λ30. 5∴λt ==2L =λL λQ λL . 5 ∴λv =λ0. 5L λQ =Q P A v 0. 52. 5=P P =λ Aλv =λ2L λL =λL Q M A M v M（2）阻力相似准则：要阻力相似，除保证重力相似所要求的Fr 相等外，还必须保证模型与原型中水力坡度J 相等。

若水流在阻力平方区，只要模型与原型的相对粗糙度相等，就可做到模型与原型流动的阻力相似，就可用Fr 相似准则进行阻力作用相似模型的设计。

或n 按上式缩小后，就可用Fr 相似准则设计阻力相似模型。

若水流在层流区，则模型与原型的Re 必须相等（雷诺准则）F 补充：1、在相似原理中，把无量纲数ρ叫牛顿数，用Ne 来表示。

L 2v 2则上式变为：NeP=NeM两个相似流动的牛顿数应相等，这是流动相似的重要判据，称为牛顿相似准则。

上册第七章有压管道中的非恒定流（书上例题、突然开启）1、水击定义：当有压管中的流速因某种外界原因而发生急剧变化时，引起液体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其它管路元件上好像锤击一样。

2、水击特点：水击是非恒定流、有压流、非均匀急变流。

水利工程中的水力模型试验研究一、引言随着我国水利基础设施建设的快速发展，水力模型试验研究在水利工程中扮演着越来越重要的角色。

水利工程的规模越来越大，设计越来越复杂，因而需要借助模型试验来预测和验证实际施工效果，为工程的正确实施提供可靠的科学依据。

本文采用实证研究方法，结合实际案例对水力模型试验的各个环节进行探讨，旨在为水利工程实践提供有益的参考。

二、水力模型试验的概念及意义水力模型试验是一种使用物理模型，通过观察、测量等手段，模拟自然水文水利体系中特定部位或对系统进行整体模拟的试验方法。

水力模型试验属于实验技术范畴，是运用力学、流体力学、数学等学科的原理建立的小比例模型，通过测量物理量、观察流动状态等手段将试验模型所产生的现象和结论应用到实际水利工程中。

水力模型试验对于水利工程的设计、施工及运行维护有着不可替代的作用。

首先，水力模型试验可以在现实工程未建成前，对设计方案进行检验和完善；其次，水力模型试验可以模拟现实环境，评估不同设计方案的具体效果，为工程施工提供可靠的建议；最后，水力模型试验可以帮助工程运行和维护人员解决工程中出现的问题，提高工程性能。

三、水力模型试验的具体步骤水力模型试验的主要步骤包括：实验目标确认、模型设计（包括相似关系的确定）、物理模型的制作、实验环境的设置、数据采集分析、结论的推导以及试验成果的应用。

（一）实验目标确认水力模型试验需以确定实验目标作起点。

实验目标是指试验所要掌握的基本信息，包括需要测定的物理量、工程参数等，实验目标确认的好坏直接关系到后续工作的有效性和实验效果的可靠性。

（二）模型设计水力模型试验的设计是关键环节。

在确定相似关系的基础上，需要制定合适的模型比例以及精度，设计出符合实际情况的模型结构、验算结构、分析参数等。

（三）物理模型的制作在设计好的模型基础上，需要进行物理模型的制作。

物理模型的制作需要注意工艺要求、材料的选用及加工质量等问题。

（四）实验环境的设置水力模型试验需要在合适的环境下进行，环境因素可能会对试验结果产生影响，如环境温度、湿度等。

相似原理的实际应用1. 概述相似原理是指在不完全相同但在某些方面相似的两个问题之间，可以应用相似的解决方法的原理。

这个原理在许多领域中都有广泛的应用，包括物理学、工程学、计算机科学等。

本文将介绍相似原理在实际应用中的几个例子。

2. 物理学中的应用2.1 流体力学•在水力学中，相似原理可以用来研究不同尺度的流体行为。

例如，通过构建模型实验，研究小尺度模型中的水流行为，可以预测大尺度实际情况下的水流行为。

这样可以节约成本和时间，并且可以更好地理解流体的特性。

•在空气动力学中，相似原理可以用来研究不同尺度的空气流动。

例如，通过研究小型模型中的空气流动，可以预测飞机在真实尺度下的空气动力学特性。

这对于飞机设计和性能评估非常重要。

2.2 力学•在结构力学中，相似原理可以用来研究不同尺度的结构物的受力和变形情况。

例如，在建筑设计中，通过建立小型模型，可以预测大型结构物在不同条件下的受力和变形情况。

这有助于确保结构物的安全性和稳定性。

•在材料力学中，相似原理可以用来研究不同尺度材料的力学特性。

例如，通过研究小尺度材料的应力-应变关系，可以推断大尺度材料的力学性能。

这对于材料选择和设计具有重要意义。

3. 工程学中的应用3.1 土木工程•在土木工程中，相似原理可以用来研究不同尺度的土壤和地基工程。

例如，在隧道施工中，通过模拟小型模型，可以预测真实尺度的隧道在不同地质条件下的稳定性。

这对于土木工程设计和施工具有重要意义。

•在水利工程中，相似原理可以用来研究不同尺度的水流和水利结构。

例如，通过构建小型模型，可以预测真实尺度的水流在不同情况下的流量和水位变化。

这对于水利工程设计和管理非常重要。

3.2 电子工程•在电子工程中，相似原理可以用来研究不同尺度的电路和电子设备。

例如，通过构建小型模型，可以预测大尺度电路和设备中的电流、电压和功耗等特性。

这对于电子工程设计和优化具有重要意义。

•在通信工程中，相似原理可以用来研究不同尺度的通信系统和网络。

流体力学相似原理的应用1.背景介绍流体力学相似原理是流体力学领域中的基本概念，用于描述不同条件下的流体行为之间的相似性。

相似原理指出，当两个流体系统在某些关键参数上具有相同比例尺时，它们的流体行为将具有相似性。

这个原理为研究和设计各种工程问题提供了便捷的思路和方法。

2.原理说明流体力学相似原理建立在物理和数学原理的基础上。

当两个流体系统在以下几个参数上具有相同比例尺时，它们的流体行为将具有相似性：•几何形状和尺寸•流体密度•流体黏度•流体速度根据相似原理，可以通过在实验室环境中对小比例模型进行测试，获得与实际情况相似的流体行为数据，从而进行预测和分析。

3.应用领域流体力学相似原理的应用非常广泛，以下是几个常见的应用领域：3.1.飞行器设计在飞行器设计中，流体力学相似原理被广泛应用于飞行器的气动外形设计。

通过在实验室中制作与实际飞行器大小比例相同的模型，可以模拟飞行器在不同速度下的气动性能。

借助相似原理，设计师可以在不实际建造全尺寸原型的情况下，预测和分析飞行器的飞行性能。

3.2.水力工程在水力工程中，流体力学相似原理被用于模拟和研究各种水工结构的水流行为。

通过在实验室中建立与实际大小比例相同的模型，可以研究水流对于不同结构的影响，优化水力工程设计。

例如，通过在模型中测试风力发电机组，可以预测在实际风场下的性能表现。

3.3.汽车工程流体力学相似原理在汽车工程中的应用主要集中在汽车外形设计和空气动力学性能研究上。

通过制作与实际汽车大小比例相同的模型，可以在实验室中测试不同造型和设计对汽车空气阻力的影响。

基于相似原理的测试结果，设计师可以优化汽车的外形，降低空气阻力，提高燃油效率。

3.4.建筑工程在建筑工程中，流体力学相似原理被用于研究建筑物的气候适应性和空气流动性能。

通过在实验室中制作与实际建筑物大小比例相同的模型，可以模拟不同气候条件下的风场和热场。

这些实验可以为建筑物的设计和改进提供有效的参考和指导。

第五章相似原理与量纲分析对于复杂的实际工程问题，直接应用基本方程求解，在数学上极其困难，因此需有赖于实验研究来解决。

本章主要阐述有关实验研究的基本理论和方法，包括流动相似原理，相似准则，量纲和谐原理及量纲分析方法等。

第一节流动相似原型：天然水流和实际建筑物称为原型。

模型：通常把原型（实物）按一定比例关系缩小（或放大）的代表物，称为模型。

水力学模型试验：是依据相似原理把水工建筑物或其它建筑物的原型按一定比例缩小制成模型，模拟与天然情况相似的水流进行观测和分析研究，然后将模型试验的成果换算和应用到原型中，分析判断原型的情况。

水力学模型试验的目的：利用模型水流来模拟和研究原型水流问题。

关键问题：模型水流和原型水流保持流动相似。

流动相似：两个流动的相应点上的同名物理量（如速度、压强、各种作用力等）具有各自的固定比例关系，则这两个流动就是相似的。

模型和原型保证流动相似，应满足：几何相似运动相似动力相似初始条件和边界条件相似1.几何相似几何相似：指原型和模型两个流场的几何形状相似，即原型和模型及其流动所有相应的线性变量的比值均相等。

长度比尺：（5-1）面积比尺：（5-2）体积比尺：（5-3）2. 运动相似运动相似：是指流体运动的速度场相似，也即两流场各相应点（包括边界上各点）的速度u及加速度a方向相同，且大小各具有同一比值。

速度比尺：（5-4）加速度比尺：（5-5）3.动力相似动力相似：是指两流动各相应点上流体质点所受的同名力方向相同，其大小比值相等。

力的比尺：（5-6）4.初始条件和边界条件的相似初始条件：适用于非恒定流。

边界条件：有几何、运动和动力三个方面的因素。

如固体边界上的法线流速为零，自由液面上的压强为大气压强等。

流动相似的含义：几何相似是运动相似和动力相似的前提与依据；动力相似是决定二个液流运动相似的主导因素；运动相似是几何相似和动力相似的表现；凡流动相似的流动，必是几何相似、运动相似和动力相似的流动。