（环境工程专业论文）温度场模拟试验的比尺效应研究.pdf

摘要 随着我国经济的快速发展，用电量也呈现飞速增长的趋势，用电不足的问题 日益严重，只有加大电源建设力度，才能从根本上解决供电不足的矛盾a 目前兴 建的大量火、核电厂采用的冷却方式通常有直流冷却、冷却塔及风冷等。本文针 对直流冷却方式中冷却水排放相关水力学问题进行试验研究。 为预测火、核电厂冷却水温排放在环境受纳水域的掺混扩散规律，研究热污 染的影响范围，通常采用数学模型或物理模型的研究手段，分析排放口附近工程 水域的流场、温度场。当采用物理模型作为研究手段时，由于受到众多因素的局 限，模型往往设计为正态或变态模型，面不同变率模型的模拟结果会产生一定的 试验偏差。在这方面前人做过不少的研究工作，但由于测试手段的影响，不能精 细的给出定量的试验结果。本文采用p i v 系统及红外热像仪，主要针对温度场模 拟试验的比尺效应开展研究，论证不同变率排放口区域流场、温度场之间的关系。 本文以相似理论为基础，通过不同变率的系列模型( 正态、变率2 、变率3 、 变率4 ) 试验，从以下两个方面对变率的影响进行研究： 一、利用p i v 测量不同变率下的平面流场，对流场进行分析比较： 二、利用红外热象仪对表面温度场进行测量，对温度场进行分析比较。 本文的研究成果可为模型设计提供一定的理论依据，同时对物理模型相似比 尺的选择、对预测不同变率模型排水口下游流场和温度场影响也具有一定的参考 价值。 关键词：速度场，温度场，变率，比尺效应，试验研究 a b s t r a c t f o l l o w i n g w i t ht h e s p e e d yd e v e l o p m e n t o fe c o n o m y , t h el a c ko fe l e c t r i c b e c o m e sab i gp r o b l e m i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fe l e c t r i cq u a n t i t yl a c k t h o r o u g h l y , t h ec o n s t r u c t i o ns p e e do fp o w e rp l a n th a sb e e ni n c r e a s i n ga tp r e s e n t a t p r e s e n t ，s u c ha sc u r r e n tc o o l i n gt e c h n i q u e ，c o o l i n gt o w e rt e c h n i q u e a n dw i n dc o o l i n g t e c h n i q u ew e r em a j o rc o o l i n g d o w nm e t h o di nm a n yh e a t - e n g i n ep l a n ta n dn u c l e a r p o w e rp l a n t t h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n a b o u ts o m e h y d r a u l i c sp r o b l e m so n c o o l i n g w a t e r d i s c h a r g i n gi nc u r r e n tc o o l i n gt e c h n i q u ew a s s t u d i e di nt h ea r t i c l e t h ei m p a c to nf l o wf i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l do fw a t e ra r e aw h i c h sn e a r d i s c h a r g eo u t l e tu s u a l l yw a sf o r e c a s t e db ym a t h e m a t i cm o d e lm e t h o da n dp h y s i c a l m o d e lf o rs t u d y i n gm i x i n gr e g u l a r i t ya n dd i f f u s i n gr e g u l a r i t yo f c o o l i n gw a t e rw h i c h w a sd i s c h a r g e d b yh e a tp o w e rp l a n ta n d n u c l e a rp o w e rp l a n t a c c o r d i n g l y ，t h e p h e n o m e n o no fm o d e ld i s t o r t i o nh a s b e e nc r e a t e d s e v e r a ls c h o l a r sh a sa l r e a d y s t u d i e dt h i sp r o b l e m m a n yy e a r s b u tt h e yg a i n e dl i t t l eq u a n t i t a t i v er e s u l t sb e c a u s eo f t e s t i n gm e t h o d sl i m i t a t i o n b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e s ，t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r w a sm a i n l ya i ma tt h es c a l ee f f e c to ft e m p e r a t u r et i e l ds i m u l a t i o nt e s tw i t hp i v s y s t e m b a s e do n s i m i l a r i t yt h e o r y , f o u rv a r i a b i l i t y c o n d i t i o n ss u c ha s n o r m a l i t y , v a r i a b i l i t yt w o ，v a r i a b i l i t yt h r e ea n dv a r i a b i l i t yf o u rw e r ed e f i n e da c c o r d i n gt oe n t i t y m o d e l t h em a i n w o r ki nt h em e s i si ss u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 p l a n a rf l o wf i e l di nd i f f e r e n tv a r i a b i l i t yc o n d i t i o n sw a sm e a s u r e db yp i v a n d t h ed a t ao ff l o wf i e l dw a s i u t e r c o m p a r e d a n d a n a l y z e di nt h i sa r t i c l e 2 s u r f a c et e m p e r a t u r ef i e l dw a sm e a s u r e db yt h e r m a li n f r a r e di m a g e r , a n dt h e d a t ao fs u r f a c et e m p e r a t u r ew a s i n t e r c o m p a r e da n da n a l y z e di nt h i sa r t i c l e t h er e s u l ti nt h ea r t i c l eh a s g r e a ts i g n i f i c a n c et h a t i tc a np r o v i d e t h e o r y e v i d e n c ef o r a n a l o g u em o d e la n dr e f e r e n c ev a l u ef o rt h ec h o i c eo fv a r i a b i l i t yo n i n t e g r a lm o d e l ，i n f u e n c er a n g ef o r e c a s t i n go f d o w n s t r e a mf l o wf i e l da n d t e m p e r a t u r e f i e l d k e yw o r d s ：v e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，v a r i a b i l i t y , s c a l ee f f e c t ，e x p e r i m e n t r e s e a r c h 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：年月 日 温度场模拟试验的比尺效应研究 1 绪论 1 1问题的提出与研究意义 进入新世纪以来，我国经济进入持续快速发展阶段，工业用电量也呈飞速增 长趋势。2 0 0 4 年我国经历了有史以来最为严重的“电荒”，甚至有人将其称为公 共危机。2 0 0 4 年8 月1 曰，杭州市政府宣布，即日起每天拿出1 5 万元向企业大 户“买”电，以便让全市老百姓能睡上好觉；在上海，外滩的景观灯光已经暂停 使用，除采取计划售电以及高价购电外，全市还存在大约1 0 8 万千瓦的用电缺口， 已有8 0 0 多家企业调整厂休，错开用电高峰，3 0 0 多家企业避峰让电，近千家企 业被限电；在江苏，2 0 0 4 年夏天电力缺口将达4 1 5 万千瓦；湖北电力缺口在1 0 0 万千瓦左右：全国拉闸限电范围最大、最严重的浙江省，电力缺口1 0 0 万千瓦。 2 0 0 4 年仅国家电网公司系统就累计拉闸限电8 4 3 7 万条次，损失电量2 2 41 7 亿千 瓦时。 大范围缺电不仅影响到人们的正常生活，还令投资环境打了折扣，在中国的 东南部地区，严重的电荒已经影响了经济发展。电力供应不足，还造成了煤炭、 石油等能源的缺乏。更可怕的是，持续性缺电仍将延续。只有加大电源建设力度， 才能从根本上解决缺电问题。因此，国家已加快了一批大型水电和火电站建设， 据有关部门预测，在未来两年中，中国政府计划建设1 4 4 家新电厂，新增装机容 量为7 5 0 0 0 m w 。其中3 4 仍属于火电。 国家在大力发展电力工业建设的同时，火电厂冷却水问题也日益突出。热电 厂在运行时大量废热能将通过冷却水带出。我国沿海地区兴建的热电厂，大多靠 近海湾或河口，以便利用海水进行冷却。节省工程投资。但同时也引起一系列的 环境问题，其中最重要的一个方面即为温度对周围环境的影响。 在实际工程中，人们往往先采用物理模型来模拟水流特性，研究温度场的平 面扩散范围，垂线温升等，以预测电厂排放热水对水体的影响。 但是，在河工模型中，由于试验范围内平面尺度和水深尺度相差悬殊，受场 地条件的限制，平面比尺不能太大；同时，垂直比尺又不能太小。若模型垂直比 尺过小，使模型的水深过浅，就有可能导致模型水流的流速过小，从而使模型水 温度场模拟试验的比尺效应研究 流的雷诺数太小，不能满足模型水流处于紊动状态，即不能保证模型流态的相似 性，而且模型测量精度也难以保证。同时，受其他相似比尺的限制，不得不将模 型做成几何变态模型。但从理论上讲，变态模型并不完全满足相似理论的要求， 特别是在水流三维性强的河段，例如弯道、汉道、窄深河段和局部拓宽或缩窄的 河段，均可能产生不同程度的试验误差。 在冷却水工程物理模型试验中，由于增加了温度变量，增加了所要模拟的 物理机制：一方面由于电厂温排水所形成的温差异重流，使本来就难以模拟的紊 动扩散变得更加复杂；另一方面，水与气体和固体的边界传热，甚至开边界水体 之间的热交换，也需要模拟。同时，模型采用不同的比尺，对流场、温度场的水 平扩散和垂直扩散也会产生不同的影响。由此可见，针对温度场模拟试验中的比 尺效应问题进行研究，不仅具有了实际工程意义，而且具有重要的理论意义。 1 2 前人的研究综述 1 8 7 0 年，w f r o u d e 在船模试验中提出了f r o u d e 准则，这标志着人类已开 始科学地进行模型试验。1 8 8 5 年，0 r e y n o l d s 运用该准则进行t m e r s e y 河的 模型试验。1 9 1 4 年，j 。b a c k i n g h a m 提出了相似准则的“定理。1 8 9 8 年，h 。 e n g e l s 在德国建立了第一个河流水力学试验室【l 】。2 0 世纪7 0 年代，苏联和 美国在河工模型试验方面已处于领先地位。近半个世纪以来，我国借鉴苏联的方 程分析法$ e i n s t e i n 的模型相似律广泛开展了河工模型试验。由于开发黄河和 长江等大规模经济建设的需要，国内专家学者以大型水利工程为契机潜心研究， 在河工模型的理论和实践方面均取得长足进步，有些已达到世界领先水平。河 工模型被广泛应用于河道整治、枢纽布置、水库淤积、水工建筑物周围的冲淤变 化、取水口的防沙问题以及河口与海岸的淤积和防护问题的研究。由于河工模型 可预测河流变化规律，可进行工程方案比较，因此它是进行河流河势规划、沿岸 防洪规划、流域国民经济可持续发展规划的有力工具。 在模型设计中，基于选择比尺的灵活性和经济性常采用的方法是垂向几何变 态。这种垂向几何变态方法的基本思想是【2 】：对于宽浅河道，由于水平方向尺 度远远大于垂向尺度，在试验场地有限的情况下，为了解决模型水平模拟范围太 小或水深太浅从而使表面张力不能忽略的矛盾，提出水平比尺l r 不等于垂向比 望壁塑塑垦竺塑垡垦墼蜜堕一一一 尺h r ( j 盈常l r h r ) 的模型设计方法，由这种方法设计的模型称为变态模型。 但是。垂向几柯变态模型动摇了相似的基础使横向、纵向速度比尺不等于 垂向比尺，流态上存在着失真现象：对模型沙运动及温度都会产生一定的影响。 因此，长期以来，对于提高测量仪器的精度、变态模型的适用范围以及变率的选 择成为人们硪究的重点课题之一。 1 2 1前人的测量手段 l ，2 1 1 流场的测量方法 流速场测量是射流特性试验研究的基本内容，准确可靠的流速场测量成果施 真实反映流速场特性和全面开展射流特性研究的前提和保证。 早期的流速测量手段是接触式的点测量，如毕托管，旋桨流速仪等仪器，如 m a e z y n s k i l 3 1 通过测量射流流场内的压力研究了同流环境中圆射流的时均流速的 横断面分布特征和射流轴线上平均流速的沿程衰减靓律等。结合实际工程需要 严忠民等人【4 1 、韦鹤平1 5 】、王超等人6 1 利用旋桨流速仪对多孔浮射流流速场特性 进行了试验研究，为实际工程提供了重要的设计和运行依据。这些仪器对流场有 干扰，从而影响测量精度。利用热线测速计( h w f a ) w y g n a n s k i 和f i e d l e r f t l 测得 了圆射流流场紊流雷诺应力横断面分布，以及流速紊动强度横断面分布和沿程变 化规律：a j l t o n i a 和b i l g e r 【8 j 测得了同向流动环境中轴对称射流的轴向流速平均值 和紊动强度以及雷诺剪切应力的横断面分布规律等。尽管热线热膜测速计可以测 量浮射流流场的紊动结构，但其测量时仍然对流场存在干扰，方向性较差，测量 方向流动时困难较大，并且在测量过程中需要不断地校准探针，数据后处理过程 也较繁琐。随着光学技术的发展。激光多普勒测速技术在浮射流特性试验研究中 得到大量应用，利用a d v 测速技术，s n y d e r j f l c a s t r o 9 1 对水槽中分层水流进行了 精确测量，s o n g 和g r a f t 1 研究了明渠中非稳定水流的时均流速和紊动量分布规 律，j o s e p h ：和t a n g i n 利用超声多普勒流速计对鸭嘴阀紊动射流流场特性进行了研 究，均取得了许多令人满意的成果，但多普勒电信号受光学系统参数、微粒浓度 和形状、散射光清晰度及流动状态的影响极大，因此对信号处理器的要求很高， 信号处理的过程也十分复杂：光学系统调节难度高，对振动敏感等因素使其受到 温度场模拟试验的比尺效应研究 限制；而且只能进行单点测量，无法对整个区域内的二维流场进行无扰动测量， 当流场内部的流速变化较大，且有涡存在时，很难实现流速的准确测量。计算机技 术与图像处理技术的快速发展，使得流场测试技流动显示和数字图像处理技术在 浮射流的全场流动特性研究中近些年来发挥了重要作用，女o k o n i g 和f i e d l e 1 2 】等 人利用该技术对反向流动环境中紊动圆射流稳定性进行了研究，a g u i 和 h e s s e l i n g b 】利用流动图像显示技术研究了同向射流的流动特性。w e i s g r a b e r 和 l i e p m a m 1 4 】利用d p i v 技术获得了不同出口雷诺数下圆射流紊流发展区内的紊动特 性和结构，其结果同前人利用热线流速仪的测量结果一致。王立新【1 5 利用数字图 象处理技术研究了潮流中底部和侧边排放两种射流的流场，得出了一些重要结 论。 1 2 1 2 温度场的测量方法 试验流体力学领域在速度的定量测量研究上已经取得了很大的进展，特别是 应用了颗粒成像技术( p ) 、分子磨尖测速技术( m t v ) 以及多普勒多向测速仪 ( d g v ) 。然而，在很多例子中，温度因素比流速因素更为重要( 例如，自然的强 对流流场，混合流场和燃烧流场等等) 。在非侵入温度场测量技术的研究上有一 定的进展，但尚未掌握能广泛应用的可行的方法。 传统的测温方法是接触式的，这种方法的理论基础是热平衡原理，虽然简单， 但误差较大，测量逐点进行，影响被测介质特性【1 6 l 。袁仁民等人利用长度为1 0 m ， 直径为6 0 , u m 漆包铜丝绕成电阻为3 0 q ( 2 0 度时) ，长度为3 2 c m 的平均温度测 量传感器对对流水槽温度场进行测量【1 7 1 。 目前利用图像处理技术测量水环境温度场主要有两种方法，一种是处理红外 摄像机记录的图像来获得温度分布；第二种方法是用液晶粒子测量流体温度场 1 8 1 。 用红外摄像机获取温度场分布是一种与图像处理技术相结合的非接触测温 方法，但是这种方法只能得到流体表面温度。高飞等在试验室利用这种“热电视” 方法测量了静水热源排放的表层温度分布。 液晶粒子测量方法是在流体中加入对温度快速响应的液晶粒子，用彩色摄像 机或照相机记录液晶粒子随环境温度变化而产生的颜色变化图像，根据色度和温 4 温度场模拟试验的比尺效应研究 度的关系，获得流体表面或截面温度的瞬态分布。d a b i r i 和g h a r i b 在1 9 9 2 年利 用液态晶体，通过计算机分析可记载的反射光波波长值定量的描述了温度场。然 而他们的技术都受限于对温度的敏感程度，他们的试验温度误差大约在3 0 左右。 n a k a j i m a 、u t u n o m i y a 和i k e d a 在1 9 9 2 年通过分离系统实现了了温度和流速的同 步测量。 利用生物及生化领域的概念，c o p p e t a 和r o g e r s 于1 9 9 8 年用一种名为双重 射流激光反应荧光器( d e l i f ) 的r a t i o m e t r i c 技术，测量出了流体的温度，浓度 和p h 值。使用两种有机荧光染剂强度，一种依据其数量而测得，另一种则与数 量无关。据他们称，这些由几种染剂合成的荧光体有可能成为测量p h 值和温度 场的新方法。紧接着，s a k a k i b a r a 和a d r i a n 于1 9 9 9 年采用若丹明( 鼬1 b ) b 和 若丹明( r h b ) ll o 作为示踪剂，利用r a t i o m e t r i e 技术模拟c o p p e t a 和r o g e r s 的 方法测量水平介面的温度对流传热。经过光学过滤发射光，校准系统得出，测量 结果超出了普通温度范围( 2 0 5 0 c ) 。 近来，a l a ns g r i s s i o n o ，d o u g l a se h a r t ，w i n gt 1 a 提出了一个新型的测量温 度场和速度场的方法，在气体或液体里充满小的环形的示踪粒子，这种粒子嵌入 了两种不同的荧光染料。这其中一种荧光染剂的亮度主要受温度的影响。薅另一 种几乎不受温度的影响，并被用来作为排除照明强度变化的一个指示。通过光学 过滤装置，分离两种染剂，从而测量出整个流体的温度分布及速度分布。这种基 于二重射流的l i f ( d e l i f ) 和p i v 技术，能够应用于气体和液体中，也能应用于 极端的温度场。利用这种合成的p i v d e l i f 显像成果，可以获得相应的分析手段 和运算方法，从而可以研究颗粒大小、颗粒的密度以及激光强度对图像的影响。 甚至可以通过探索冷射流体进入高温器具后的混合情况。 1 2 2前人的研究成果 1 , 2 2 1几何变态对模型水流运动的影昀 水流的流态主要有层流和紊流，因流态变化水流运动规律明显不同。对模型 而言最重要的模拟是流态的模拟，若流态不同则模型试验结果不可能正确地反映 原型状况。一般原型水流为紊流，在进行模型设计时，特别要注意勿因缩尺太严 温度场模拟试验的比尺效应研究 重而使模型水流不处于紊流流态。 谢鉴衡【唧根据一维非恒定流的微分方程组，导出变态模型的设计比尺，所以 纵向水流运动相似便自动满足，即模型变态对纵向水流运动的相似性没有影响。 因而利用变态模型来研究一维水流问题，即只研究水位和断面平均流速的相似问 题，是完全可以的。而且这类性质的模型，变率可以取得大一些。 林秉南和屈孟浩分别根据纵向流速梯度公式，通过相似分析，均认为纵向流 速垂线分布在变态模型中是不可能与原型达到相似的【2 0 】。认为在变态模型中，纵 向流速垂线分布将与原型发生偏离，变率越大，这种偏离程度将越大。 张红武【2 “、颜匪l g e 埘、姚仕n t 矧、梁斌【2 4 l 先后进行了变率e = 2 1 0 的概化 模型试验研究，得出了一些规律性的成果： ( 1 ) 对于顺直河段变率小于1 0 ，水流动力轴线及垂线平均流速沿横向与 沿流程的分布基本一致，相对误差小于1 0 。变率加大，模型糙率加大，纵向流 速垂线分布偏离正态模型加大，变态模型表层流速较正态模型增大，而底层流速 较正态模型小，即流速梯度增大。虞邦义、俞国青通过试验发现 2 5 , 26 1 ，对于淮河 干流这样的平原河流，变率加大到8 1 0 后，纵向垂线流速分布指数关系从1 6 l 7 变到l 3 1 4 。 ( 2 ) 对于分汉河段，姚仕明 4 】的试验表明，变率小于1 0 ，且模型宽深比 b h 大于2 的变态定床模型，只要满足重力相似与阻力相似，当两汉分流角较小， 过水断面相差不大时，其汉道分流比基本一致。变率对汉道内纵向垂线平均流速 沿流程及沿河宽分布以及水流动力轴线的影响甚微。 ( 3 ) 变态率对弯道水流结构的影响更为显著和复杂。变率小于1 0 ，模型宽 深比b h 大于1 9 ，弯道水流动力轴线及垂线平均纵向流速沿横向与沿流程与正 态模型的误差一般小于1 0 ，与顺直段类似，但弯道段纵向流速剖面的影响较顺 直段更明显。变率大于3 ，失真严重，弯道下半部失真较上半部显著。弯道环流 受模型变态的影响最严重，且环流充分发展部位随变率的增大而下移。出弯道后 环流的衰减规律也受模型变态的影响，变率越大，环流衰减越慢，环流的衰亡长 度相应增加。 同时，模型变态后，弯道内水面形状、横向比降及弯道水流的流向都将偏离 正态模型，而且偏离的程度随变率增大而趋向明显，表现为弯道凹岸侧高水位等 6 温度场模拟试验的比尺效应研究 值线随变率增大而向下游延伸，弯道凸岸侧水位线等值线向上延伸，模型横比降 随之增大【2 7 1 。 李旺生对变态河工模型垂线流速分布不完全相似的偏差有多大进行了进一 步研究，指出水面下o 6 h 以上变态模型的流速增大，而其下是减小的，因而垂 线流速分布梯度增大。由于河床周界的变化及不规则或水工建筑物阻滞水流而产 生的副流其强度和空间尺度都同垂线流速梯度密切相关，因而变态模型中由于垂 线流速梯度的不相似必然造成副流模拟失真，如为大变率的变态模型，则这种失 真将是十分严重的。由于这种变态模型中副流强度和空间尺度的失真，而这种失 真必然波及到主流和主流输沙【2 8 】。 1 2 2 2几何变态对推移质运动的影响 与变率对水流运动及水流结构影响的研究相比，变率对推移质泥沙运动的影 响研究较小。 变率对推移质运动的影响，主要体现在泥沙运动和输沙率两方面。就平床或 纵剖面变化不大的情形，其对起动的影响主要与模型选沙有关，一旦选中符合比 尺的模型沙，且模型沙的水下休止角与原型相似，则变率的影响不是主要的；对 输沙率的影响方面，由于输沙率比尺确定方法很多【悖】，公式表明，变率越大，输 沙率比尺越小，输沙率较正态模型越大。然而，在实际中，一般的做法是经过验 证试验之后，取验证值。 对于纵剖面变化较为剧烈的情形，变率的影响更为突出。吕秀贞【2 9 】通过对 变态模型有关相似比尺的分析。说明了几何变态所导致的顺水流方向正、负坡面 上和岸坡被面上泥吵起动和输沙串相似性偏离的性质、偏离的程度及其影响因 素，得到如下认识【3 0 】： ( 1 ) 在模型沙的水下休止角等于或小于天然沙时，变态使水流方向正坡床面 的模型沙起动流速小于正确值，从而使泥沙容易起动，输沙率偏大，变率越大， 偏离也越大；变态使水流方向负坡床面上模型沙的起动流速大于正确值。使泥沙 在负坡面上难于起动，输沙率偏小，变率越大，偏离程度越大。 ( 2 ) 纵向顺坡床面和逆坡床面的起动流速和输沙率偏离误差虽各为正负，但 在坡度和泥沙水下自然休止角相同的条件下，对称坡面上输沙率的正负误差绝对 7 温度i 量模担试验的比尺效应研究 值并不相同，两者并不能互相抵消。 ( 3 ) 几何变态对岸坡上沙粒起动流速相似性偏离的影响，性质上与纵向正坡 床面的情况相似，均使泥沙容易起动，但所引起的误差绝对值前者小于后者。 ( 4 ) 模型沙的水下休止角应与原型相似，否则，更会加剧变态模型泥沙起动 和输沙率相似性的偏离。 姚仕明【3 i j 利用概化模型研究变率对推移质泥沙运动的影响。天然弯道断面， 试验范围变率1 6 ，宽深比4 5 2 7 3 。变率3 的模型水流动力轴线与正态模型 基本相似，变率6 的模型明显偏离；变率3 的模型深泓线相似良好，变率6 的模 型偏离较大；变率3 的模型断面冲淤基本相似，但深槽展宽，变率6 的模型偏离 较大。对于弯道( 梯形断面) ，变率大于6 的模型，弯道冲淤部位偏离较大，冲淤 量偏大3 0 以上。 1 2 2 3几何变态对悬移质运动的影响 屈孟浩m 1 用悬移质浓度垂线分布式三：f ! 三二兰i ，根据相似原理对变 矗ly厅一a 率对悬移质浓度垂线分布影响进行研究，得出：只有在正态模型中才能满足含沙 量垂线分布与原型相似。在变态模型中，由于垂直方向上水流流速分布的不相似， 导致了悬移质垂线含沙量分布的不相似。 变率对含沙量也有一定的影响。由于悬移相似存在两个比尺，故含沙量也存 在两个比尺。谢鉴衡指出【嘲，在悬移质动床试验中，广泛地使用了 五= 丑= 以，这个比尺，通过验证试验最后确定的含沙量比尺，与理论计算 相差不远，说明变态模型的悬移相似应遵循九 ( 九a ) = l ，而不应遵循丸= 屯。 目前较多的做法是，验证试验后含沙量比尺取验证值。然而，在模型选沙时 人们便面临悬移相似的两个比尺的取舍问题。以往的观点是变率越大，越应以悬 浮相似条件进行设计【3 3 】：林秉南新近研究认为【3 4 】，变率越大，越不宜使用悬浮 相似条件。对此，有待今后作深入的研究。 量度场横拙试验的比尺效应研究 1 2 2 4几何变态对糙率的影响 对于定床大型河工模型， = 阜， = ，几何变率越大时， 越小， 飞 模型所需要的糙率越大，为满足阻力相似要求，模型需要采用各种人工糙体进行 加糙。 在水工模型中，加糙的方法很多，通常将砂、砾、卵石等通过规定的筛孔后， 粘于模型上制成。 如加糙程度甚小，可在模型粉面过程中略加打毛，即能满足 要求；如加糙程度甚大，也有将模型表面制成凹槽，或采用铁屑、铁丝网等固定 于河床上的办法。但通常采用的加糙方法主要有两种：即密实加糙和梅花加糙， 这两种加糙方法有比较系统的研究成果【35 1 ，可据以进行计算，由于梅花加糙可产 生较大的糙率，因此变态率较大的模型常采用这种加糙方法。其它的糙体的加糙 方式往往是根据具体的验证试验进行调整，阻力计算与流速分布特性等尚无系统 研究。 1 2 2 5 几何变率对温度的影响 根据流动特性的不同，水力一热力物理模型试验的模拟范围可分成三个区， 排水口附近的浮射流与周围受纳水体流速不连续而形成的旋涡紊动掺混的近区： 浮射流影响消失，受纳水域自身紊动扩散为主的远区，近远区之间存在着一个以 浮力延伸为主的过渡区。 1 9 7 0 年g a b r a h a m 3 6 1 和d h o o g e n d e n 3 7 】得出近区相对远区变态影响不同的 结论，其不同点主要表现在近区热水带稍窄，远区热水带偏宽。 陈惠泉通过相似理论分析了几何变态对水流扩散、水面散热、环境水质方面 的影响。指出：变率引起对水平扩散的影响跟对水深方向扩散的影响不同，且随 水域本底的紊动情况而异，一般是水平扩散较大，垂向扩散较小，仅在受大涡流 的海洋运动或强潮运动的水域，水平扩散的相似性才能保证：在正态模型中，模 型实际的散热系数比要求的散热系数大，因此，正态模型中实际散热量过大；对 水域而言，正态模型包括的水域过小，很难正确模拟水流流速场及水体载体浓度， 在感潮水域最为明显，局部的正态模型。完全不能反映环境水温随潮变化对模型 研究对象的影响。 9 温度坛摸拟试肇的比足效应研究 陈惠泉进一步通过水槽试验分析了变率对表面温升和垂线温升的影响1 3 8 】。试 验显示，随着变率e 的增大分层现象增强，上层水温增加，变态影响程度随e 连 续变化，不出现变化的突变，因此变态率的允许限度是个模糊概念，有一定的主 观性，可从三个方面阐述：( 1 ) 变态强化了平面扩散和水深方向的温差分层。 ( 2 ) 变态影响程度，与水流密度f r o u d e 数及来流流速与排水口流速比有关，水 流密度f r o u d e 数及来流流速与排水口流速比愈小，影响愈明显，( 3 ) 水流密度 f r o u d e 数在1 5 至5 0 的范围内，一般情况下，e 6 l o 。 窦国仁4 2 j 9 , 边壁的影响来研究，分析水槽资料得到控制变率的条件： c - l + b 2 0 h 。谢鉴衡也曾通过变态模型边壁的影响程度得到：三旱+ 妒， 从上式及窦国仁的最后结果可以看出，边壁的影响可转换成宽深比关系。 张红武和李保如由试验资料得到不小于9 0 和8 0 作为模型与原型相似的 变率允许取值范围分别为： 占- 0 0 2 1 3 b + 0 9( 1 - - 3 ) h o 0 4 3 - b + 0 8( 1 4 ) h 张瑞瑾认为过水断面的水力半径r 对模型的变态十分敏感 4 3 】，因此他从分 析水流的运动方程出发，分析了变态模型的适用范围，认为变态的影响大小直接 和水流的二维性和均匀性有关，并提出了衡量变态影响的两个指标。 朱鹏程提出【堋，本来的确定应考虑边壁阻力与河底阻力的比值在原型与模型 温度媾模拟试验的圪尺敛应研究 中应该接近相等的原则，提出，变态后的河槽 。，吼不宜大于1 1 3 0 。 从上述研究成果可见，模型的变率虽然跟原体的宽深比有一定的关系，但是 在模型设计中能否采用变态、变态允许范围如何应根据具体情况而定，不能一概 而论。对有一些流动现象可以采用较大的变态，而对另一些流动现象则不宜采用。 特别是在温排放物理模型中，由于加入了温度，要求流速场、温度场都与原 型相似，在设计模型时选用正态还是变态，变态的范围如何仍需要进一步研究。 1 3 本文研究目的和内容 前人在模型变态方面已经做了许多有益的工作，在许多科研领域和工程应用 中发挥了很大的作用。本文主要在总结前人对变率研究的基础上，利用粒子图像 测速技术p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ( p i v ) 和红外热像仪，研究模型变率对温排 水水平方向上流场、温度场的扩散影响，揭示温排水正态模型及变态模型的流场、 温度场分布定量关系。具体研究工作如下： ( 1 ) 在总结前人对相似理论认识的基础上，提出适合本文试验的不同变率。 并根据原体制作模型，并根据明渠水流运动特征，利用a d v 测量仪器对设计的明渠 水槽进行垂向流速验证。 ( 2 ) 利用p i v 对不同变率的排水口附近表面流速进行测量，对浮射流的流速、 扩展宽度进行比较与分析。 ( 3 ) 采用红外热像仪分别对4 个变率下9 度排水温升、1 8 度排水温升排水口周 围的温度影响进行测量，分析各温升线的影响面积、最大宽度和长度，获得温排 水正态模型及变态模型的温升分布的定量关系。 ( 4 ) 根据不同变率下流场、温度场的分布特性，提出在温排放物理模型试验 中，变率的选取及范围。 温度场模拟试验的比尺效应研究 1 4 技术路线 温度场模拟试验的比尺效应研究 2 相似理论及明渠垂线流速验证 2 1相似理论 模型试验是流体力学试验中的常用手段，是把自然界原体的物理现象通过相 似原理再按一定比例缩小的模型中重演。用以研究水流运动、预报水流影响和工 程效果。因此在试验研究中，只有模型上发生的现象与在原型上发生的现象相似 时，其试验结果才有可能应用到原型上去。而这种重演原体现象的理论就是相似 理论。 相似理论的基础是欧拉白金汉通过数学方法推导证明的量纲分析基本定 理，即他发表的“丌定理”：若一物理现象与n 个物理量有关，在该1 1 _ 个物理量 中含有m 个独立的量纲，则该物理现象可以用( n m ) 个无量纲参数来完全描述出 来： 庐( 巧，以一。) = 0 ( 2 1 ) 当研究的两个物理现象可以用同一方程描述，且这两个物理现象各自的( n n 1 ) 个无量纲参数又分别对应相等，则称这两个物理现象相似；反之，若这两个物理 现象相似，那么它们各自的( n - m ) 个无量纲参数也一定对应相等，即满足模型相 似的要求为： ( 巧) ，= l i 2 l ，2 ，n m 注脚r 表示原体与模型的比值，“= 互，p ，m 分别表示原体及模型。 7 【唧 在冷却水物理模型中，主要影响因素可归纳为： 庐( 口，6 ，c ，p ，p ，a p ，g ，v ，丁，v ，a ，c ，女，热交换条件) = 0 。( 2 - - 2 ) 式中：8 ，6 ，c 为几何条件：v 一速度；印一压力差：g 一重力加速度；p ，p 一分别为收纳水体的密度和热冷水密度差；v 一运动粘滞系数：r 一冷热水温 度差；绝对粗糙率；c ，t 一水的比热及导温系数。 利用相似定理整理得： 4 温度场模拟试验的比尺效应研究 f l 鱼a ，三a ，既，e ，c ，r e ，云，只，寺，丢 = 。 c z 一。， 严格的相似要求为： 阶嘲，蝴= ( e ) ，- - ( r ) ，= ( 只) ，= ( r e ) ，= ( ) ，= 1 笪：旦：1 丸， 豳， 式中：一为水面总体散热量；庐一为固壁总体散热量；一为进入水体中 的总热量。 虽然不同情况下的模型设计都是以模型相似理论为基础，但任何模型都不能 完全重现原体，只能比较精确地反映原体中被关注的问题。 在实际模型制造中，不可能满足所有的相似准则，只能根据所研究的重点， 进行相似准则的选取。 2 2 温排放热扩散的相似条件 火、核电厂利用冷却水系统将废热排入江河湖泊之中，实质上是热量在水体 中掺混、对流、扩散，最终通过表面蒸发、幅射消散的过程。水流温差的存在， 很大程度上影响整个水域的流态、温升分布，因此冷却水模型试验较之水工、河 工模型试验有其自身的特点，具体表现在： ( 1 ) 域模拟中增加了温度变量，不但要求流速场相似，而且要求温度场相 似： ( 2 ) 温度的存在不但有热传导效应，而且产生由于冷热水密度差引起的异 重流现象： ( 3 ) 水气交面上热交换的边界条件，影响往往不会忽视。 温度场模拟试验的比尺效应研究 2 2 1 水力相似 紊沉运动尽管十分复尕，但它必殒满足不司压缩流体的连续方程和宙诺运动 方程，对于时均流动，则有： 连续方程：冬+ 誓+ 誓：o ( 2 4 ) 雷诺方程中，一般的只考虑地球重力作用，同时在明渠运动中j = p 劝，所 以x 水平方向的雷诺方程可写为： 等+ i 摹+ 石等+ z 2 堑b z ：一g 瓦o h + u 簪+ 簪+ 筝， 一( 去孑+ 杀乏写+ 昙磊j 乃 ( 2 5 ) 式中： g 一重力加速度；x ，y ，z 一为直角坐标系坐标；一 x 、i 、乏为x 、y 、 z 方向的平均流速分量；t 一时间；p 一水的密度：p 一平均压强；0 一运动粘滞 系数；h - - 垂线上某一点的水深：略“：、“：一为x 、y 、z 方向的脉动流速分量。 根据相似原理，可求得模型、原型相似的水力条件为： ( 生) ，= ( 生) ，= ( 生) ， x y = o ：r - - ( o 丁x t 批c u 知c = c 事 = ( 生) ，= ( 生) ，= ( 一u x - - 。，) ，= ( 蔓虿) ， -xvz 在一般的水流模型试验中，g ，= 1 ， 得水力相似条件为： ( “，) ，。( ) 。 ( 叱) ，= 孚( 虬) ， 厶， 用l 表示平面上的长度，则归纳上式可 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 温度场模拟试验的比尺效应研究 回，： q r ；l r z 扮 ( e ) ，= ( 赤) ，- l 仁去 2 2 2 流型和流态相似 ( 2 - - 8 ) j ( 2 一g ) 在模型试验中有可能发生层流或紊流的流态，为了确保模型试验与原体水流 一样有紊流运动，必须使模型的水流雷诺数r e 。大于紊流临界雷诺数r e 。，明渠中 的紊流临界雷诺数r e f l 0 0 0 i ，为准确的模拟紊动的输运过程，取r e 。为3 0 0 0 ： 模型试验中，为了避免粘滞力的影响，模型水流雷诺数r e m 必须达到阻力平方区 的要求，以便在模型试验中满足脉动流速阻力相似的条件；除此之外，为了避免 表面张力的影响，模型设计中至少要确保3 c m 以上的水深。 2 2 3 温差水流运动相似 甩j j 发熙水搿八址删甲，由十湿崖爱异，彤戚温差水流，由n s 方程得，1 方向运动为： 詈+ “罢+ v 考+ w 警= 一吉塞一g 罢+ p 睛a 2 , + 雾+ 害，( 2 - - 1 0 ，百州面+ v 万+ w 石2 一石言一g 瓦嘧+ 矿+ 万) ) 令p = p 一凡，则运动方程改写为： 丝+“塞+v塑+w鲁=一吉垒一告g罢一警g罢+vc害+雾+百a2，at a y a x a z 叙如 pp 。苏口。缸、缸2却2 27 由相似原理得： 舀，：掣g 生) ， xox 化简得：( 玩) r = 了赢) ，= l 温度场模拟试验的比尺效应研究 式中：f b 一为密度弗劳德数；”一流速：p 一河道水流在自然条件下的密 度；店一热水密度。 水力相似要求：( c ) ，= ( 静，= l 所以得 2 2 4 热平衡相似 掣) ，= l ( 2 一i 1 ) p 电厂冷却水温差水流在自然环境下运动，而模型冷却水在试验室环境下试验 观测，两者的热力运动都有一个热平衡问题，为使模型试验的结果与原型一致， 两者必须满足热平衡相似。把河道水体作为一个整体，其示意图见图2 一l 。 图2 一l热平衡示意图 由热平衡方程得： p c q 。( t , 一正) + p 似i i ) = 见k ( ，一瓦删+ 他五争q 十m 。詈d 矿 式中：p 一水的密度；c 一水的比热；鲔一电厂取排水流量；耳一电厂排放 热水的温度：瓦一电厂从河道抽取冷却水的温度；t 一受电厂排放热水影响后 水体温度：q 一水的流量；瓦一来流的永温；t 一流走水流的水温：& 一水 体表面积：t o 一水面以上大气的自然温度：n 一水体边壁湿润面积；一水 体体积；刀一水体边壁法向长度；k 一与蒸发、对流、辐射有关的综合散热系数； x 一水道或模型边壁导热系数。 可求得模型、原型热平衡的相似条