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实体模型试验是建立在相似理论基础上的,只有相似理论所规定的相似条件得到满足,模型和原型才相似。相似理论概括主要包括几何相似,动态相似和动力相似。从1898年第一个水流力学实验室由H.恩格斯创建于德恩斯顿科技大学,相似理论就在不断的发展完善。尽管相似理论在表面上看,包括了水流及泥沙运动的各个方面,但在指导实体模型设计中,还有不够完善和不够明确的地方。尤其是动床实体模型,由于要涉及到水流和泥沙的相互作用,模型设计和运行的复杂性大大的增加,其中往往采用轻质模型沙模拟泥沙运动,由于水流运动时间比尺与河床变形比尺不一致,由此产生时间变态问题,从而使得模拟结果与原型出现一定的偏差。尽管许多学者对时间变态问题进行了一些研究,取得了大量科研成果,但系统性以及指导实践仍存在不足。本文运用数学模型手段,采用河道的实测地形和水文数据重点对实际河道模型中时间变态问题进行深入研究。
本文回顾了前人对实体模型中时间变态问题的研究,应用一维非恒定数学模型对时间变态的三种影响因素(轻质沙、非恒定流、模型长度)进行研究。研究三种影响因素的变化与实体模型试验结果偏差之间的关系。在前人研究的基础上提出时间变态综合影响参数表达式。
本文对上荆江不同河段进行数值模拟,根据上荆江实际情况重点对河段水流及悬移质泥沙运动进行研究。应用上荆江实测水文和地形数据应用一系列模型比尺建立实体模型,运用数学模型比较采用不同模型沙(不同时间变率)的实体模型水流及泥沙运动过程以及由此引发河道冲淤量与原型的偏差,并对偏差产生的原因进行了研究。研究时间变态综合影响参数 与河道冲淤量偏差 之间的关系,提出两者之间的关系式。
本文在前人研究成果的基础上探讨了一些可能的改进措施。如尾门滞后调节的方式、提前施放下一级流量调节的方式、适当延长汛期过后枯水期的运行时间、试验暂停时施放清水。通过研究分析对以上改进方式的效果进行叙述和研究。