物理模型试验的重要性与应用场景

物理模型试验具有直观、系统的特点，是原型观测的延伸和补充，避免了原型观测受时间和其他条件的限制，可以重复进行。泄流雾化的物理模型试验包括两种：①在重力相似的水工模型上开展雾化研究，这种模拟方法的优点是直观，能在一定程度上反映泄流雾化与泄流流量、水头、泄流方式和工况组合的关系；②雾化的专项模拟，如入水喷溅模拟和雾流扩散模拟等，主要用于雾化机理研究和雾化数模参数率定。一般情况下，雾化物理模型试验是指上述的第一种情况。例如天津大学、原武汉水利电力大学和南京水利科学研究院等都曾做过泄流雾化的水工模型试验[22-23]。

但是，泄流雾化模型试验的模型比尺律选择及缩尺效应影响等方面仍存在问题，雾化相似律问题受到许多专家和学者的质疑，甚至有些学者认为泄流雾化不能应用水工模型来模拟（不存在相似律）。

从理论上讲，欲使模型试验与原型观测相似，模型和原型就必须满足几何相似、运动相似、动力相似和边界条件相似。前两个相似条件是比较容易满足的，而要做到动力相似就很困难。在实践中，常常只考虑其中的主要作用力，而忽略一些影响甚微的次要作用力。因此，模型试验的预测精度势必受到未经正确模拟的次要作用力的影响。目前，在常规水力学模型的设计中，多遵循重力相似准则，即在作用于水体上的诸力中，主要考虑重力作用，并且只要流体处于阻力平方区，即雷诺数足够大时，黏滞力影响可以忽略不计。而对于表面张力的相似性影响，在一般水工模型中考虑较少。就泄流雾化而言，表面张力有着重要的作用，即应满足韦伯数相似准则，韦伯数We的表达式为：

式中：ρ为液体密度；r为特征长度，考虑到射流在空中运行时，其纵向运动轨迹的曲率半径大，表面水体容易在纵向失稳，因而特征长度采用纵向轨迹的曲率半径；V为射流的平均流速；σ为表面张力。(www.xing528.com)

挑流水舌连续性破坏乃至碎裂，主要原因是来自水流本身的紊动，水舌周围空气仅起次要作用。只有当水流分裂为细小水滴时，空气对水滴的作用才开始变得明显。故雾化试验不仅要符合重力相似准则，还需要考虑表面张力的作用。当按重力相似准则设计雾化模型时，必须考虑韦伯数的影响。美国H.T.法尔维[24]曾进行过液滴失稳脱离水体的研究，提出对于微小尺寸的液体，当韦伯数大于12即失稳脱离水体；巴西的平托和奈德曾通过系列模型进行试验并结合原型观测对比分析，得出当韦伯数大于500时，表面张力的影响可以忽略。由于韦伯数计算与所选用的特征尺寸有密切关系，故不能简单引用而需探讨合理的界限。南京水利科学研究院[23]通过系列模型试验并辅以其他工程试验及专题研究，得到溅水区降雨范围比尺S的表达式：

式中：L am和L ap分别为模型和原型的降雨范围；λl为模型的几何比尺；n为几何比尺的指数。图15.9为指数n与韦伯数We的关系曲线。

上述研究工作表明，当韦伯数大于某一界限值时，挑流水舌表面碎裂的模拟可以按重力相似准则设计，按照图15.9所示，韦伯数以大于600为宜，500亦勉强可用。在此条件下测得的降水分布可直接引用于原体，而降水量尚有一变动范围。

分析其根本原因在于满足重力相似的水工模型中是无法满足韦伯数相似的。实际上，韦伯数大于500只是表明模型试验可以模拟水舌的破碎，可形成雨滴、雾滴，但雨滴谱、雾滴谱还是不能够达到相似要求。原型水流的流速高，水舌破碎、水流掺气充分，雨滴和雾滴往往比模型的要小。因而在雾化水工模型模拟中不相似的因素包括：①雨滴谱和雾滴谱是不相似的，存在明显的“变态”相似现象；②气流动力边界不相似；③雨滴、雾滴的碰并和扩散过程不相似等。因为这些不相似的因素存在，雾化现象很难实现全面相似，雾化缩尺效应影响显著。