组合桥墩冲刷实验
一、实验目的：
1、研究模型砂启动流速
2、研究动床模型河道组合桥墩局部冲刷情况
3、得出组合桥墩不同角度的优化布置试验
二、实验仪器设备：
三、实验原理：
1、 模拟河道：根据相似理论，选择模型几何比尺，确定模型大小，根据给定的，
，原型t=24小时，则模型t=2小时
2、 沙启动原理
在具有一定泥沙组成的床面上，逐渐增加水流强度，直到使床面泥沙由静止转入运动，这种现象称为泥沙的起动，相应的临界水流条件称为泥沙的起动条件。
影响泥沙起动的力分为两类，一类为促使泥沙起动的力，如水流的推力及举力：另一类为抗拒泥沙起动的力，如泥沙的重力W及存在于细颗粒之间的粘结力N。其中水流推力是水流绕过所考察的颗粒A时出现的肤面摩擦及应流面和背流面的压力差所造成的，其方向和水流方向相同：水流举力则是水流绕流所带来的颗粒顶部流速大，压力小，底部流速小，压力大所造成的。
3、 卡门涡街
流体绕过非流线形物体时，物体尾流左右两侧产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋。对圆柱绕流，涡街的每个单涡的频率f与绕流速度v成正比，与圆柱体直径d成反比，即。Sr是斯特劳哈尔数,它主要与雷诺数有关。当雷诺数为300～3×时,Sr近似于常数值(0.21)；当雷诺数为 3×～3×时，有规则的涡街便不再存在；当雷诺数大于3×时，卡门涡街又会自动出现，这时Sr约为0.27。出现涡街时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近,就会引起共振,甚至使物体损坏。
4、桥墩的冲刷
引起桥墩冲刷的主要原因有两个：一是由于桥墩阻水而在墩前形成壅水产生下移螺旋流，立轴漩涡体系向下游传播发展，在桥墩下游形成回流区，该回流区的流动是有旋流动，漩涡的中心形成真空，卷起泥沙带往下游，从而导致河床下切；二是由于桥墩阻水形成侧向绕流产生马蹄形螺旋流淘刷两侧地形，从而导致桥群周围床面的冲刷，在马蹄形漩涡的作用下，桥墩周围河床上的泥沙被冲起带向下游，逐渐形成冲刷坑。当冲刷坑发展到一定深度时，水流能量减弱，冲刷逐渐停止。因此，冲刷坑的形成是由局部水流条件的改变引起的。
5、薄壁三角堰测平均流速
根据薄壁三角堰流量经验公式：
a 、b是实验装置的常数
H是堰顶高程
根据连续方程，模拟河流的断面流量等于堰流量，测出断面的面积，就可以求得模拟和流断面的平均流速
四、实验内容和步骤
（一）实验前准备
1、 在槽的中部填入实验沙，两端用挡板固定，适当捣实使沙平整且挡板和沙坑高度一致。调节升降轮9使10水位控制板升高到与水平线成60°左右位置。
2、 启动、流量调节与控制。插上电源，先用阀2控制流量，保持水流平稳缓慢上升，让水流慢慢浸过沙坑。同时仔细观察沙坑在水流下平整度，对局部不平稳处应及时调整。特别注意两端挡板处，水流过流是否平稳，否则及时调整沙坑，防止该处出现局部冲刷。还可用阀10进行流量微调。
（二）启动沙流速
4、按照上面步骤1、2、3调整到实验所需水位，用阀2、3调节水流量，同时观察沙坑中段表层，当达到部分沙有往水流方向移动的速度时，稳定流量，用测速仪测得沙坑中段中部流速，该流速即为启动沙流速。
（三）组合桥墩冲刷
5、在沙坑的中部放入第一种组合方式的桥墩模型，重复步骤1、2、3，调整得到所需流量、水位。用测速仪测量桥墩前端面三点的流速，若没达到设计流速，继续微调流量水位，直到设计流速。稳定流量、水位、流速。同时记下各种参数。
6、保持这样的流状对桥墩冲刷2小时。
7、调节阀13，让水位平稳退去，并用相机拍下桥墩周围冲刷沙坑内不同水位高度时的照片，同时用移动测针测出适当部位冲刷坑的深度。
8、后两次实验以第一次测得的实验水槽水位和三角堰水位为控制水位，对泵功率和多孔水位高度控制板10进行调节，调节之接近控制水位时，对实验水槽水位和三角堰水位进行读数，记录。
9、清洗整理水槽
五、实验数据记录和处理：
薄壁三角堰常数：a=15.42 b=2.47 =28.58
1表薄壁三角堰流量
| 测次 | 水箱液面测针读数(cm) | 水槽液面测针读数(cm) | 砂表面测针读数(cm) | 流量（cm3/s） | 平均流速(cm/s) |
| 1 | 33.30 | 24.48 | 7.5 | 712.40 | 12.199 |
| 2 | 33.16 | 24.77 | 7.5 | 661.34 | 14.223 |
| 3 | 32.91 | 24.32 | 7.5 | 575.72 | 12.108 |
表2 桥前断面流速（）
| | 组合1 | 组合2 | 组合3 |
| 1点 | 12.078 | 13.687 | 11.979 |
| 2点 | 12.163 | 14.823 | 12.078 |
| 3点 | 12.357 | 13.976 | 12.268 |
| 平均 | 12.199 | 14.223 | 12.108 |
| 位置 |
表3 冲刷成果
| 测次 | 水深 (cm) | 桥前平均流速 （cm/s） | | 冲刷深度(cm) | 冲刷宽度 (cm) | |
| 左 | 右 | |||||
| 1 | 3.48 | 12.199 | | 2.15 | 2.28 | 8.13 |
| 2 | 3.77 | 14.223 | | 1.97 | 2.12 | 8.64 |
| 3 | 3.32 | 12.108 | | 1.91 | 1.71 | 大于水槽宽度 |
冲刷坑处理图像：
组合1
左边坑最大深度2.15cm，右边坑最大深度2.28cm；最宽处在右边坑，为8.13cm
组合2
左边坑最大深度1.97cm，右边坑最大深度2.12cm；右边坑最宽处8.64cm
组合3
上边坑最大深度1.91cm，下边坑最大深度1.71cm；由于坑形态被壁面限制，无法测量坑宽度。此组合得到的坑深度最小。考虑前面测量的桥前断面流速。坑深度小和流速小有一定关系。但是总的来说，此组合下坑深度和其他两组还是相当明显的。
三组组合对比
六、实验结论分析：
实验观察：在桥墩冲刷过程中，我们发现前期冲刷比较厉害，桥墩两侧的泥沙先被卷起之后被水流带到下游堆积起来，桥墩迎水面泥沙下切的坡度比较大，而桥墩背水面的泥沙则形成一个坡度较缓的斜面。冲刷的范围逐渐扩大，深度逐渐加深，但是到一定时间后，坑的深度和范围基本稳定。在遇到桥墩之前，水面平稳，没有波纹，而遇到桥墩之后，在桥墩背面形成漩涡流。而且观察到桥墩迎面水位要比背面水位高，可能由于涡流下且导致的。当离开桥墩一定距离后，水面又恢复平稳。
分析：1、模型砂启动：由于沙粒比较细小，观察它的启动不是很容易，所以得到的结果也不是一个很精确的，但是应该说明我们做模型砂启动的目的是要为桥墩的冲刷做准备，是为了得到一个动床模型河道。在水流保持稳定时，启动的沙会沿着河床顺水流前进，说明了推力大于阻力，而也会在高出停止或在洼处停止，说明了阻力大于推力。
2、组合桥墩：从图片中我们可以看到不管组合的形式是怎样，冲刷坑都是大致呈马蹄状，这个和理论是比较符合的。由于桥墩阻水形成侧向绕流产生马蹄形螺旋流淘刷两侧地形，从而导致桥群周围床面的冲刷，在马蹄形漩涡的作用下，桥墩周围河床上的泥沙被冲起带向下游，逐渐形成冲刷坑。而组合桥墩中，由于桥墩的相互影响，水流的涡旋会发生一定的变化，从而影响冲刷坑的深度与冲刷范围。
第一组：两桥墩前后垂直分布，前面的桥墩的背水面的形状受到后一个桥墩的影响，而蹄状不是很明显，后一个的形状则没有受到影响。而且相比前一个桥墩迎水面的冲刷坑来说，后一个得比较平缓，也就是涡流将部分泥沙滞留在了后一个桥墩的坑内。由于我们在选择桥墩的距离时有些偏大，所以得到的冲刷影响效果不是太明显。
第二组：两桥墩前后成15°，由于前后两桥墩有一定的错开间距，所以他们的涡流在边缘处叠加，也就是相互干扰。在前一个桥墩的尾部，涡旋受到后面桥墩的侧面涡流的影响。
第三组：两桥墩左右平行分布，特别之处在于桥墩之间的水流相互叠加，对应于下面的冲刷坑也连在一起，而且深度也很大，说明两个涡旋的叠加增大了对泥沙的扰动，就如物理学中波的叠加原理一样，如果距离符合一定条件，则两波叠加能量增大，还有能量相消。
综合分析这三组组合桥墩的冲刷，可以从我们的数据和图像中得到，第一种组合不仅冲刷深度最大而且冲刷宽度也最大，而相比之下第二种组合就要好了，因为深度要小，冲刷范围控制的比较好，但是看到第二种的等高线比较密，坡度比较大，这样对桥墩的保护也有一定的弊端。相比前两种前后布置的桥墩，第三种平行布置范围大，坡度要平缓。
七、注意事项：
１、河床要有一定的长度，而且桥墩的位置要离前后远点，以免水流的突变对实 验造成 影响。
２、同样的原因，要保证河床的平坦，不要因为泥沙的高低不平而影响对泥沙启动的观察和对桥墩的冲刷。
３、调整好水位控制板，在几次试验中发现，如果板的位置不是很合适，就会在河床开始处出现水位高差，而对桥墩冲刷产生很大的影响，短时间内就冲刷出大范围、大深度的坑。
４、在实验结束后，放水时应该缓慢些，以防突然的水位高差产生很大的流速，破坏冲刷坑。
5、多孔水位控制板10底部和侧部为空隙，当水流至此时，水会从底部，侧部漏走，特别是底部。导致水位升不高，所以必须对底部侧部用橡皮泥进行堵塞。堵塞不够时还是可能出现水位蓄不高的情况，需要注意。
6、实验条件有限，水槽宽度过窄。造成的影响有：1.当桥墩略靠边时，桥墩与水槽壁之间的流速收到壁面影响。2.冲刷出的坑将超出水槽范围，导致坑贴住水槽壁面，无法看到坑的全貌，同时在冲刷中，坑的形态也会收到壁面阻挡的影响。如图中2，3的情形，坑的冲刷均收到了壁面的限制。
7、水位，流量等都比较难调节，所以三次实验测得的桥前断面流速均有差别。这个差别会对坑的冲刷的剧烈程度造成影响。
8、沙坑取样时，尽量保持照相机拍摄的位置与角度不变，以方便分析
八、心得体会：
1
做过这个实验之后体会还是挺多的。刚刚看到这个题目时真是有点晕，什么都不知道，什么都不懂，就是组合桥墩这个词我们都不是很清楚。大家回去之后都认真地查阅资料，开了几次小会议，交流一下，逐渐弄懂我们要做的实验的各个名词的意思、实验的内容等各个方面。我真正感觉到了团队合作的重要作用，大家都认真的工作，效率很高，在短时间内能够完成一项大的任务。作为组长，我觉得我们的组员都是很认真的，交给的任务能够很认真地完成，由于我们都是一个班级的，所以合作的时候也是比较有默契，之间的交流也很好，合作得很愉快。
上面是对我们团队合作的体会，这段是对这个实验本身来说的。虽然说实验室已经给我们提供了实验装置，但是整个实验过程必须要我们自己摸索。从准备到开始实验到最后的实验报告。我们付出了很多时间，但是也得到了一定的回报。我们比课堂上先学到了薄壁三角堰的测流量原理，也自己亲身使用了一下。近距离的观察了整个实验的过程，观察到了泥沙起动时的现象，水流的冲刷对桥墩的影响，看到了在那么短的时间内，看似很小的流速居然能够对桥墩产生如此大的作用，冲刷深度和范围都很大。大致了解到了涡流产生的原理和作用效果，更好地掌握书中的知识。
当然也有很多的不足，首先是知识有限，再是时间也比较紧张，做出的效果不是太好，数据只是进行了简单的处理。（杨淼）
2、
这个实验让我感悟最深的是实验中的求真务实和“偷懒”的精神，
首先“偷懒”的精神。这个实验最棘手的是后期的数据处理：以怎样的方式来表达我们的实验结果，以及用什么方法来实现处理。讨论的重点最后落在了怎样来测冲刷坑的形状问题，开始有人很当然的想了个比较老套的办法，就是有选择坑状的典型特征点，然后把它们在三位坐标下数据一一测出，这个工作量耗时比较大。大家都不大甘心，直到实验开始进行测量方案一直未定，在测量的等待空隙大家又再三讨论，最后终于想出上面所用的比较简便的方法。从这一点上我觉得适当的“偷懒”精神有助于促进我们去改造创新。
其次求真务实的精神。我们的实验共三组，按理三个下午就可以完成，但我们用了五个下午，其原因是有两次方法不当，导致实验数据不理想。只能重做，我们并因为没有吝啬一个下午而去篡改数据。科研讲究求真，虽然严格意义上我们这个还只是创新实验。（石胜亚）
3、
自主创新实验的目的是通过实验的“创新性”和研究过程，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，并通过体验科研模式，激发学生的创新潜能。本学期我们的自主创新实验是组合桥墩冲刷实验。一开始的确给了我们一定的难题，因为在之前，我们对本实验相关知识了解甚少。故在最初的方案策划阶段，我们花了较多时间查阅资料，参考相关文献，最终通过团队的力量写了方案，可惜由于种种原因我们最后没能按照既定的方案进行实验。总的来说，通过这次自主创新实验，我们学到了很多。首先，团队合作是非常重要的。整个实验说难不难，但也绝非轻松。制桥墩，铺沙，控制阀门，测量等都是需要团队一起完成的。由于之前没有做过类似的实验，故缺乏经验，因此我们需要结合大家的智慧一起商讨如何解决实验中遇到的各种问题。其次，虽然这是个小实验，但也需要我们大家都认真投入，用心去做。大家应该无私，不要计较谁干的活多谁干的活少，团队需要一起努力。第三，要节约耗材，降低成本，同时要爱护公物。实验室的东西要爱护，各种仪器不要随便玩弄。%……
（陈钧华）
4、
这是一个很长的试验，心得也挺多的，先讲题外的心得：
“探索式的学习”
才有选题的时候，什么都不知道，所以可以说每一步都是试探性的。先是完全不懂，然后网上鸟枪法似的搜索，然后模糊的懂一点点，然后大家相互交流，有个轮廓后接着分工再详细搞清楚这个实验的几个要素，通过找文献，查资料，再做讨论交流。最后不懂的再问老师。觉得这挺启发人的。
“团体合作”
有分工，有交流，有合作，有争论，又有妥协，有严肃的课题，同时也有轻松的交谈。觉得这种方式挺有效的。
现在谈题内的：
“变通”
原先的试验策划与所给的试验道具不符，所以要变; 比如河道宽度不够，所以要变桥墩的间距；甚至是随着课程的深入，原来的想法也要改变。比如，原来想的用毕托管测速度，现在知道想用它测明渠水的流速是不太现实的。设想的试验操作与实际试验情景不符合时也要改变。比如原先的冲刷沙坑的描述，先想了很多方法，但实际都遇到了困难，最后改用照片的轮廓描述与探针的深度描述结合。
“不足”
一方面，由于第一次这样做实验，完全由自己设计，完成。另一方面，长期以来的养成的依赖性使自己比较心虚，所以觉得这次试验还是有挺多不足的。首先是设计方案，与实际差方案相差有点大，说明我们依然考虑不足；另外，实验时间过长，总共冲刷三次三类桥墩，结果去了五个下午，说明我们计划不够周详；最后，或许与河道过窄缘故有关。很难察觉“角度”这一因素在桥墩冲刷中起的作用，可能达不到试验要求的目的。 （李晓章）
5、
心得，体会：
在本次流体力学自主创新实验里，实验老师们只大概地规定了实验的内容，对于实验具体的操作及数据的处理并没有特别的规定，这就需要我们实验小组一起动脑动手，想出合适的方法进行实验，以达到最后的实验目的。
在这一过程中我体会最深的就是实验锻炼了我们小组自己解决问题的能力。大学期间的各种实验，在实验书上都已事先写好了实验目的，实验内容，实验步骤以及数据处理的方式，同学们只要照着做就行了。而这次实验中，我们要自己思考，解决这些问题，或许最终的实验方案并不完美，甚至会有很多缺陷，但我觉锻炼独立解决问题的能力才是更加重要的。
古人云：“授之以鱼，不如授之以渔。”有了解决问题的能力，在以后的各种实验中我相信我们也会受益匪浅！（黄杰卿）
6、
1. 实验中有多处地方需要反复调节，如实验开始时，要注意水槽内，水箱内水的高度。这个过程需要水泵功率调节、水槽尾部多孔挡板的调节相配合。要使两者的水位同时接近控制水位是很难的，经常出现两者之一达到控制水位，而另一个没有达到控制水位，需要反复调节。但是，通常，对水泵功率或多空挡板做一定的调节以后，水位稳定也是需要一段时间的，必须耐心等待，耐心观察。所以实验前的调节是需要花费很长时间的。另外，为防止水刚没过砂表面时由于水冲刷过猛而立刻在桥墩边冲出坑，水槽进水时还必须控制水泵功率，使水位缓慢上升，慢慢流过砂表面。结束冲刷时放水也是一样。
2. 由于光线问题，使用相机拍出的照片中，有很多砂与水的边界看不清楚，导致照片处理时的困难。为解决这一问题，实际上应该将沙坑中的水染色。（梅宇佳）