Пособие к СНиП 2.05.03-84 "Мосты и трубы" по изысканиям и проектированию железнодорожных и автодорожных мостовых переходов через водотоки (ПМП-91)

     6.2. Физическое моделирование

1. Физические модели устраивают в гидравлических лотках или открытых русловых площадках (гидравлические безнапорные модели) и на воздушно-напорных установках (аэродинамические модели), в которых вода моделируется воздухом.

Гидравлические модели могут быть жесткие и размываемые; аэродинамические - жесткие.

Жесткие модели позволяют определять направление токов и распределение скоростей потока, а жесткие гидравлические - картину водной поверхности, включая волновые воздействия. Размываемые модели дополнительно дают количественную оценку русловым деформациям с учетом времени воздействия расхода воды.

2. Физическое моделирование [93] основывается на теории подобия. При моделировании гидравлических явлений стремятся обеспечить механическое подобие, включающее: геометрическое, кинематическое (поля скоростей потока в пространстве и во времени) и динамическое подобие (подобия систем действующих сил различной физической природы - инерции, тяжести, давления, вязкости и т.д.).

Механическое подобие изучаемых гидравлических явлений у мостовых переходов для потоков натуры и модели обеспечивается при геометрическом подобии и равенстве () чисел Фруда , Рейнольдса и приведенного коэффициента гидравлического трения :

*; *; ,

где * - характерные скорость, глубина и ширина потока; - кинематический коэффициент вязкости, характеризующий свойства жидкостей и газов; - коэффициент гидравлического трения; - коэффициент Шези.

_______________

* Формулы и экспликация к ним соответствуют оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных.

При исследовании на размываемых моделях к вышеперечисленным критериям подобия должны быть добавлены критерий подобия транспорта наносов. Однако в связи с большой неоднозначностью выбора таких критерий трудно дать какие-либо конкретные рекомендации, применимые в широком диапазоне условий.

Полное механическое подобие обеспечить практически невозможно, в связи с чем при условии геометрического подобия для гидравлических моделей, где определяющую роль играют силы инерции и тяжести, исходят в основном из критерия . Критерий Рейнольдса при этом не должен быть на модели меньше некоторого минимального значения (), обеспечивая так называемую автомодельность по числу Рейнольдса.

Для напорных (аэродинамических) моделей, на которых поток находится в основном под воздействием сил инерции и внутреннего трения (при обтекании шероховатых поверхностей русла, пойм, струенаправляющих дамб и т.д.), определяющим является критерий Рейнольдса.

3. Если размеры экспериментальных установок не позволяют моделировать весь требуемый участок реки в масштабе, определенном по условию воспроизведения на модели минимальных глубин потока (например, на пойме), то прибегают к искажению масштабов модели (т.е. принимают горизонтальный масштабный множитель больше вертикального ).

При геометрическом искажении масштабов основным критерием подобия модели с натурой становится .

Из приведенного критерия устанавливают допустимое соотношение между плановым и вертикальным масштабом модели. Связь масштабных множителей некоторых параметров с плановым масштабом модели и принятыми критерия подобия показана в табл.6.1.

Таблица 6.1

Примечание. , , , - масштабные множители соответственно планового размера модели, расхода воды, шероховатости и грунта.

Размывающая скорость принята по формуле Б.И.Студеничникова.

Коэффициент Шези принят по формуле Маннинга-Павловского.

При выборе линейных масштабов необходимо стремиться к минимальному геометрическому искажению . Рекомендуется допускать геометрическое искажение модели .

4. При геометрическом искажении модели для достижения подобия в движении наносов, обеспечении турбулентного режима и т.п. числа Фруда на модели приходится задавать большими, чем в натуре (т.е. нарушать условие ). Это не влечет за собой искажения процессов, изучаемых на модели.

Возможность получения достоверных данных при неполном механическом подобии объясняется тем, что при увеличении на модели значений критерий подобия имеет место так называемая автомодельность явления на модели и в натуре, т.е. независящее от каких-либо геометрических или гидравлических параметров "автоматическое" воспроизведение на модели гидродинамической картины движения жидкости на моделируемом участке.

С явлением автомодельности связана возможность значительного увеличения (форсировка) расхода воды на модели, применяемая на жестких гидравлических мелкомасштабных моделях для получения турбулентного потока.