氣流模型試驗

氣流模型試驗的專門設備是風洞。全世界為各種目的建成的風洞至今已超過300座。風洞的大小不等，大的可以使飛機、兵器、車輛、風力機械等原型實物直接置于風洞內(nèi)進行試驗，小的則可以將風洞置放于一張寫字臺上。依據(jù)風洞內(nèi)可達到的氣流速度（即風速）大小，有高速風洞與低速風洞之分。低速風洞常指馬赫數(shù)（指氣流速度與氣體中音速之比數(shù)）小于0.3或0.4的風洞，也稱作亞音速風洞，高速風洞常指馬赫數(shù)大于0.4的風洞。在低速風洞中氣流的壓縮性一般不影響分析。高速風洞主要用于超音速飛機、高速飛行器、兵器等的試驗研究。低速風洞主要用于航窄器、風力機械、高層建筑、水上海上建筑結(jié)構(gòu)、跨江跨海橋梁等涉及空氣動力學問題的研究，以及城市建筑規(guī)劃、礦區(qū)布置、污染源隨大氣紊流擴散等環(huán)境問題的試驗研究。因此，低速風洞常按其主要用途被稱之為航窄風洞、建筑風洞、環(huán)境風洞等。用于水力學試驗研究用的氣流模型試驗設備也是一種低速風洞，模型試驗段的風速一般不大于60m/s。為了模擬靜水或運動水流的作用，風洞內(nèi)的流體除生成氣流的空氣外還有靜止或流動的水。

風洞結(jié)構(gòu)一般可分為進口段、模型試驗段（或稱工作段）和出口段三部分。進口段包括空氣進入模型的喇叭形進口及其后的整流裝置。模型試驗段用以置放被試模型及進一步調(diào)節(jié)氣流特性的裝置。出口段由管道、抽風機、氣流流量計、控制閥等組成。航空風洞工作段斷面常為圓形、正方形或高寬接近的矩形，建筑風洞及環(huán)境風洞工作段的尺寸常較大，斷面多為矩形或?qū)挾容^高度大得多的扁平矩形。河道氣流模型試驗段都為扁平形，用玻璃板下表面代表水面，使明渠河道成為壓力流的模型。為了模擬地面風速梯度及氣流紊動，建筑風洞和環(huán)境風洞常在模型試驗段的前部調(diào)整氣流和加糙，圖2是這類風洞工作段的典型布置。

單純氣流模型的設計，是依據(jù)相似準則保證模型和原型的歐拉數(shù)Eu相等。除正態(tài)模型外，為滿足小比尺河道模型的動力相似，可采用變態(tài)模型。先確定平面長度比尺和深度比尺，在試驗中測得模型氣流量與原體設計流量的關系，有歐拉相似準則可得流速比尺和時間比尺。

當研究彈性結(jié)構(gòu)的氣動力學問題，即氣彈性問題時，氣流模型的設計除考慮原型和模型歐拉數(shù)相同外，尚需考慮氣流內(nèi)部紊動和結(jié)構(gòu)動力相似，模型的設計顯然較單純氣流模型復雜，若同時要考慮水彈性問題，氣流模型的設計將更為復雜和困難。

氣流模型試驗可以用于研究氣流的基本特性，如流場的流態(tài)、壓力、流速分布和氣流內(nèi)部的紊動結(jié)構(gòu)等，也可用于研究氣流與固體物與其他流體（如水）間的相互作用。由于空氣與水同屬流體，在流動的基本特性方面有許多相同和相似之處，故在研究水工水力學或河流動力學的某些問題時，可以用氣流代替水流來研究不同邊界條下的水力特性，借以對河道整治、河道分流等工程布置方案等進行優(yōu)選，其優(yōu)點是氣流模型可以做的更小、觀測簡便、省時、經(jīng)濟。在進行水工或海工建筑結(jié)構(gòu)的風震、風流等直接與氣流有關問題的試驗研究時，采用氣流模型試驗更是理所當然。水工水力學方面的有些問題，如建筑物體型設計、泥沙問題等仍須通過水流模型試驗才能解決。

一：、什么叫做氣流？

簡單地說，氣流就是空氣的上下運動，向上運動的空氣叫做上升氣流，向下運動的空氣叫做下降氣流。上升氣流又分為動力氣流和熱力氣流、山岳波等多種類型，滑翔傘一般利用動力上升氣流和熱力上升氣流兩種來完成滯空、盤升和長距離越野飛行。（氣流和風的區(qū)別）氣流是氣象學的學術用語,風是我們的生活用語,其實無論空氣是水平運動還是垂直運動都可以叫氣流。但是空氣垂直運動我們不能感受到,只能感受得到水平氣流,所以生活中所說的風只能是指水平氣流.

二、氣流的生成

氣流的生成，非常復雜，熱力氣流的生成受各種天氣、溫度、濕度，空氣溫度遞減率、地表溫差、氣壓、等數(shù)據(jù)影響。一般來說，空氣溫度遞減率越大、日照越充足、空氣越干燥，熱力氣流的形成就越好。

三：氣流的特點：

1、 氣流的惰性

氣流往往走的是最短最近的途徑。它是有惰性的，在參差不齊的山上，一直依賴于一個依托物爬升，如果是平地，沒有激發(fā)物，它就趴著，向水平方向運動。

2、 氣流的釋放點

在水平運動狀態(tài)的氣流如果遇到激發(fā)物，就沿著障礙物爬升，一直走到障礙物的最頂端，依賴于山的最高點，所以一段山形最高點的上方空域（山額），往往是氣流的釋放點。我們?nèi)绻焉奖茸鲆粋€不規(guī)則的冰塊，把冰塊倒過來，水滴下來的位置是冰塊最尖點，倒轉(zhuǎn)回來，這就是氣流的釋放點。因而起飛前先要仔細判斷山形，根據(jù)山體的起伏形態(tài)找到氣流的激發(fā)點來制定飛行航線，這種方法可以使飛行員在越野過程中找到接續(xù)氣流的點，利用它盤升高度，然后繼續(xù)飛行。

3、 根據(jù)場地判斷氣流

在群山環(huán)抱的場地中，氣流出現(xiàn)的情況一般整幅連綿的山體來得復雜，所以起飛前一定 根據(jù)不同的場地仔細判斷。

對于山窩里的氣流，一般來說，正迎風的情況下，氣流在山窩里流速會比溝外的強，如果風力穩(wěn)定持續(xù)的話，這樣的動力氣流可以利用；但是千萬注意，在側(cè)風的情況下，要防止假風和山窩里的回旋氣流，這時的山溝里就絕對不能去。 因為側(cè)風的情況下山窩里會產(chǎn)生假象的上升氣流和風力回旋，表面上高度表報告進入上升氣流，但那有可能是風力回旋造成的假性上升，附近馬上就會有一個向下的力，容易產(chǎn)生折翼等危險。

在整個山系有不同落差或風層走廊的情況下，要特別注意切力風層的出現(xiàn)。有時在某段高度內(nèi)有時會出現(xiàn)兩個速度不等、方向不同的切風，導致整個傘翼旋轉(zhuǎn)或拍擊，在這個情況下，如果高度足夠的話，應盡快逃離；或主動失去一部分高度，脫離風層切面。

四：熱力氣流和動力氣流的區(qū)別

A：動力上升氣流，就是水平運動的風在遇到山或者障礙物激發(fā)時，改變運動方向而形成的向上運動的氣流，它的強弱大小受障礙物的大小以及風力大小的影響。

動力氣流的特點是：

1：在迎風的山坡，風力穩(wěn)定持續(xù)的話，動力氣流應該是一樣持續(xù)穩(wěn)定的。

2：障礙激發(fā)物（山體）越高、坡度越陡、風力越大、動力上升氣流就越強，上升區(qū)域就會增加；

3：完整山體的寬度越大，上升的速度和動力氣流的幅面也越大；

4：動力上升氣流的高度是有限的，它的高度一般可以超過山的高度的三分之一左右。

利用動力上升氣流可以使滑翔傘達到滯空和盤升的目的。尋找動力氣流，要在坡度比較陡、山形完整的的迎風面，這樣的情況上升速率是一樣的。

B： 熱力上升氣流，是受日照、氣壓、溫度、風力等氣象條件和地形條件的影響形成的上升氣流，它的高度可以從幾百米到幾千米，它的速率可以從幾米至幾十米/秒，所以在同一個場地，而天氣條件下不一樣的情況下，飛行所遇到的熱力上升氣流也不一樣。在氣象條件比較好的情況下滑翔傘可以利用上升速率在10米/秒的熱力上升氣流飛得很高很遠。

由于地表熱容量的不同，吸收熱量的不同，熱力氣流就不同。舉例來說，砂石吸收的熱量最少，最容易飽和，但這時候日照還是繼續(xù)，于是把多余的熱量輻射給周圍的空氣，把周圍的空氣加熱，所以沙漠、山石、裸露在陽光下的干燥地表等上空形成熱力氣流的機會很大；而有水、草地、濕潤的地區(qū)受陽光照射后形成熱力氣流則比較慢，因為需要的熱量很大，周圍的空氣都是冷的，它需要熱量來蒸發(fā)水分，熱力氣流向上走的時候，兩邊的氣流來不足，對它造成壓力，從而形成相對意義上的下降氣流； 還有一種黃昏時的特殊熱力回吐氣流（俗稱傻瓜氣流），由于水面吸收了一天的陽光照射，在黃昏太陽落山前后，巖石等干燥地表迅速失溫，而水面蘊涵的熱力卻依然強 盛，熱容比相對比較大，造成水面上是上升氣流，而干燥的巖石地面上空卻是下降氣流的奇特現(xiàn)象

地質(zhì)力學模型試驗是巖石力學研究領域的重要手段，尤其是在理論尚不完備、非連續(xù)數(shù)值模擬技術尚未成熟的現(xiàn)階段，地質(zhì)力學模型試驗在深部巖體力學研究中占據(jù)重要地位。

地質(zhì)力學模型試驗最早由格恩庫茲涅佐夫于1936年提出，是仿照真實結(jié)構(gòu)并按照一定比例關系復制而成的試驗代表物，它具有原型結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。地質(zhì)力學模型試驗根據(jù)相似理論，用適當?shù)谋壤吆拖嗨撇牧现瞥膳c原型相似的試驗對象，再現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，最后按照相似判據(jù)整理試驗結(jié)果，推算原型結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài)。地質(zhì)力學模型試驗的科學性取決于模型與原型具有相同物理性質(zhì)的變化過程，要滿足物理現(xiàn)象的單值相似條件，還要求對應的相似判據(jù)相等。

地質(zhì)力學模型試驗能形象、直觀地模擬工程結(jié)構(gòu)的受力、變形及破壞的全過程，可以比較全面、真實地模擬復雜的地質(zhì)構(gòu)造，揭示可控影響因素對人們關心的工程災變孕育演化過程的影響，為建立新的理論和數(shù)學模型提供依據(jù)，從而為避免和防控工程災害提供技術支持。

從20世紀70年代開始，清華大學、山東大學、中國礦業(yè)大學、長江科學院等高校和院所，結(jié)合水利、采礦、交通、國防等工程中的巖石力學問題，開展了大量的模型試驗研究，取得了系列創(chuàng)新成果，為巖石力學的發(fā)展做出了重要貢獻。如，清華大學李仲奎 等研制了離散化多主應力面加載和控制系統(tǒng)，成功地解決了復雜三維初始地應力場的模擬問題，提出基于擊實功復合作用系數(shù)以及密度隨填筑深度非線性逆向控制的模型制作方法，提高了模型材料力學性質(zhì)的穩(wěn)定性；山東大學張強勇等在試驗臺架研制、相似材料制備、試驗數(shù)據(jù)采集等方面開展了大量的工作，也取得了豐碩的成果。

地質(zhì)力學模型試驗在大模型制作、控制加載、監(jiān)測量測、相似材料制備等方面得到了全面發(fā)展，逐步實現(xiàn)了模型由平面到立體、應力狀態(tài)由平面到真三軸、加載邊界由剛性到柔性、監(jiān)測量測由概略到精細、材料性質(zhì)相似由粗放到嚴格的轉(zhuǎn)變。但是，在部分深部特有問題模擬上，如深部巖體的含能狀態(tài)、初始狀態(tài)、邊界條件以及與時間相關的變形破壞過程等，仍存在一些值得商榷之處。 2100433B

1．可逆性原理

物體在靜止的空氣中運動或氣流流過靜止的物體,如果兩者相對速度相等,物體上 所受的空氣動力完全相等。

一般在研究、分析和實驗時,采用氣流流過物體的方法較為直觀和簡單。根據(jù)此原理只要相對速度相等,它的結(jié)果與物體在空氣中運動時所受的空氣動力就一樣。

2．連續(xù)性定理

這是描述流速與氣流截面關系的定理。氣流穩(wěn)定地流過直徑變化的管子時,圖 1—1—2,每秒流入多少空氣,也流出等量的空氣。所以管徑粗處的氣流速度較小,而管徑細處較大?？捎孟率奖硎荆?

S1V1=S2V2=常數(shù)

式中:

S—管子截面積;V—流速。

3．伯努利定理

是能量不滅定理在空氣動力學中的應用,它描述空氣動壓、靜壓和總壓之間的關系。

1/2ρv12 p1=1/2ρv22 p2=p0(常數(shù))

式中:

1/2ρv2—動壓;p—靜壓;p0—總壓。

流體在截面較大處(Ⅰ)仍流速較小,動壓較小,靜壓較大,而 在截面較小處(Ⅱ)流速較大,動壓較大,靜壓較小