Гидравлическое моделирование

Виды моделей

Прежде чем приступить к строительству какого-либо сооружения, инженеры на стадии проектирования должны тща­тельно изучить все процессы и явления, с которыми придется столк­нуться строителям объекта и эксплуатационникам. Причем оценка влияния разнообразных факторов должна быть не только качествен­ной, но и количественной.

При проектировании, например, мостового перехода необходимо оценить: как изменятся параметры потока (глу­бина, ширина, распределение скоростей, давлений и т. д.), стеснен­ного подходными насыпями; какую форму должны иметь струенаправляющие дамбы; каким будет общий и местный размыв; каков будет подпор перед мостом; произойдет ли затопление земель; какая ветро­вая нагрузка будет действовать на пролетные строения и т. д.

На практике встречаются ситуации, при которых не представ­ляется возможным получить ответ на интересующий проектировщика вопрос чисто расчетным путем. В этих случаях исследователи прибегают к экспериментальным методам изучения явлений с помощью физического или предметного моделирования.

В предметных моделях воспроизводятся геомет­рические, кинематические, динамические и другие пара­метры оригинального (натурного) объекта. Этим объектом может служить поток (или его часть), взаимодействующий с твердыми границами (трубопроводом, дорожной водопро­пускной трубой, размываемым руслом и т. п.).

В случае, если модель имеет одну и ту же физическую природу, что и моделируемый объект, она называется физической моделью.

В тех случаях, когда изучаемое явление описывается уравнениями или математическими соотношениями того же типа, что и явление иной физической природы, можно за­менить изучение натуры изучением других явлений, более удобных для лабораторного воспроизведения, инструмен­тального измерения и т. д. Такой вид моделирования ис­пользует предметно-математические или аналоговые модели. Например, натурный фильтра­ционный поток под сооружением и движение электрического тока по проводящей среде описываются одним и тем уже уравнением Лапласа. Поэтому изучение фильтрационного потока (натуры) можно проводить на модели, воспроизводя­щей течение электрического тока по проводнику, на которой легко измерить значения таких величин, как потенциал скорости, функция тока, не поддающиеся измерению в на­турном потоке.

Поиск рациональных форм конструкций эксперимен­тальным путем довольно часто требует проведения весьма трудоемких, продолжительных и дорогостоящих исследо­ваний в гидравлических лабораториях методами физичес­кого моделирования. Например, конструкция входа в косогорную трубу исследовалась многократно, но до сих пор не найдено оптимального ее очертания. При проектировании консольных сбросов уже давно пытались подбирать опыт­ным путем различные формы носков-трамплинов, которые способствовали бы интенсивному расширению потока в плане, его дроблению и т. п. с целью уменьшения удельных расходов в месте падения струи и в конечном счете умень­шения глубины воронки размыва. Для решения задачи пере­бирались по 30-40 вариантов моделей трамплинов самых замысловатых очертаний и исследовалась их работа приме­нительно к конкретным условиям.

Для других условий работы эти исследования приходит­ся повторять, так как применимость экспериментальных данных весьма часто ограничена рамками конкретных ус­ловий, при которых они были получены.

Это неблагоприятное обстоятельство можно преодолеть в результате разработки надежной теории явления, методов решения уравнений, описывающих его, и всесторонней экспериментальной проверки справедливости теоретических положений. Наличие теории позволяет использовать математические модели и путем решения соот­ветствующих уравнений с учетом граничных и начальных условий и других особенностей задачи получать ответ без значительных затрат средств и времени. Этому способствует и использование ЭВМ.

Так, например, развитие теории управления бурными потоками и разработка методов расчета очертаний соот­ветствующих конструкций делает ненужными трудоемкие экспериментальные исследования. Задача о форме рассеи­вающего трамплина, применяемого для уменьшения глу­бины воронки размыва, с помощью математического моде­лирования решается на ЭВМ всего за несколько минут. Математические модели позволяют производить целые серии аналогичных расчетов, например, с целью составле­ния таблиц, оптимизировать решение и т. д.