CN101424587A - 多相流试验水槽系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相流试验水槽系统。该系统包括主体，清水循环系统，浑水循环系统，进水系统，控制系统及出水口切换系统六大部分。主体底部设有支架和千斤顶，用支撑铰链固定于地面，可调节水槽宽度和坡度；进水系统由取样放空出口、手动阀门、流量计和电磁阀门组组成，进水系统与主体顶端连接；控制系统设置在主体顶端侧面以控制所有开关；出水口切换系统设在主体出水口侧外端，与清水循环系统中清水地下水池和浑水循环系统中浑水地下水池连接。本发明独立的清水和浑水循环系统，减少了试验用水量和试验成本，且对污染水样便于回收处理；出水口系统的清水浑水切换装置，设计简单且操作方便，有效解决了不同循环系统间的切换问题。

Description

多相流试验水槽系统

技术领域

本发明涉及水力学多相流研究及水环境保护技术，特别涉及一种水利水电工程设计研究中的水库泥沙异重流问题的多相流试验水槽系统。

背景技术

多相流(Multiphase Flow)，是指两相或两相以上不相溶或具有相界面物质的混合体，是研究气态、液态、固态物质混合流动的学科。“相”指不同物态或同一物态的不同物理性质或力学状态。在能源、水利、化工、冶金等工业部门，以及气象、生物、航天等领域都涉及有多相流动的问题。随着近年来水资源开发利用的强度和速度的加大，以及人们对生态环境保护意识的日益增强，许多学者针对多相流的研究，特别是不同密度的液-液两相流即异重流的研究，已逐渐成为国内外流体研究的热点。

异重流是两种密度相差不大、可以相混的流体，因为密度的差异而发生的相对运动。从水利领域来看，特别是在由于水电开发而形成的大型深水库内，水流流速较慢，当汛期上游挟沙水流与水库内的清水相遇时，由于前者的密度比后者大，在特定水动力学条件下，挟沙水流就会潜入清水底部继续向前流动，形成含有大量泥沙的浑水异重流。例如，1935年美国米德湖蓄水，发生浑水异重流，并经底孔排出库，则引起了许多学者的关注。1953年汛期，我国官厅水库发生浑水异重流并排沙出库，国内因此便开展了相关研究。总之，泥沙异重流对水库寿命、航运、发电运行、下游河道水质及防洪安全均具有重要的影响。

另一种性质的两相流为温差异重流，即不同温度的水体由于密度差而引起浮力流。水库成库后由于水体蓄热作用导致水温出现分层现象，这种温差异重流对珍惜水生生物、鱼类繁殖及农作物灌溉会产生重要影响；发电厂冷却池及工业生产的热水排放都属于温差异重流的研究对象。此外，对于水域内污染物的扩散和降解规律研究、油污染控制及由此衍生的污染物预警以及供水安全研究等都是多相流研究的热点和难点问题。

多相流的发生和运动过程具有复杂的水动力学条件，只凭数值模拟研究其运动规律难以给出可信结果，因此必须结合相关多相流试验研究进行验证。目前，就国内外代表性的多相流试验水槽研究来看，尺寸都较小。国外已有研究入海口泥沙淤积问题的相关试验，但试验主要采用小尺度机理性试验装置，试验水槽一般长度仅为4.8m，高0.42m，且不能进行清水与浑水的切换试验。由于水库异重流问题与河道地形、坡降等要素密切相关，异重流运动规律复杂，加之泥沙研究中的不确定因素较多，因此需要进行10m以上大尺寸的物理模型试验研究。其次，国内虽然较早地开展了异重流相关研究，但相关试验装置多为60年代完成，由于受当时条件和技术水平的限制，水槽多为木制结构，糙率大且流场不稳定，同时试验量测手段也相对落后。而针对大尺寸的、能实现自动化实验监测的、多相流研究设计在我国还是一个空白，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是针对现有技术中所存在的缺陷，提出一种对水库泥沙异重流问题、污染物迁移扩散问题以及水力学实验演示进行研究的新型多相流试验水槽系统。该多相流试验水槽系统不仅尺寸大，提高了多相流研究的可靠性及准确性。并结合现代化量测手段进行分析，进而为多相流研究提供可靠依据。

为实现本发明的目的，本发明采用由以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明多相流试验水槽系统，包括水槽主体，清水循环系统，浑水循环系统，水槽进水系统，控制系统以及出水口切换系统六大部分。其中，水槽主体底部设置有支架和千斤顶并用支撑铰链固定于地面；进水系统由第一取样放空出口和第二取样放空出口、第一手动阀门和第二手动阀门、第一流量计和第二流量计以及电磁阀门组组成，进水系统中电磁阀门组与水槽主体顶端连接；清水循环系统包括清水地下水池和清水地上水箱，清水地下水池通过第一水泵与清水地上水箱连接；浑水循环系统包括浑水地下水池和浑水地上水箱，浑水地下水池通过第二水泵与浑水地上水箱连接；进水系统中连接电磁阀门组的第一流量计与第一手动阀门连接，第一手动阀门连接第一取样放空出口，第一取样放空出口与清水地上水箱连接；进水系统中连接电磁阀门组的第二流量计与第二手动阀门连接，第二手动阀门连接第二取样放空出口；第二取样放空出口与浑水地上水箱连接；控制系统设置在水槽主体顶端水槽进水口侧；水槽出水口连接于水槽主体底端，出水口切换系统位于水槽主体底部外，并与清水地下水池和浑水地下水池连接。

上述技术方案中，所述水槽主体的长度为20m，宽度在15-40cm可变，坡度在0-4％可调的变宽、变坡度的玻璃水槽。

上述技术方案中，所述水槽主体底部的支架为可调节的伸缩支架，所述千斤顶为气压千斤顶。

上述技术方案中，所述进水系统中在第二流量计和第二手动阀门与第二取样放空出口之间设有循环冲洗出口。

上述技术方案中，所述水槽主体的钢架结构上沿程设置有取样孔，水槽主体的玻璃壁面便于观察。

上述技术方案中，所述进水系统中的电磁阀门组由五个相同电磁阀组成。

上述技术方案中，所述五个电磁阀分别对应两列五层分层的不同进水口，通过控制两列五层分层进水口的电磁阀，进水系统可以实现全断面进水或独立分层进水。

上述技术方案中，所述两列五层分层进水口是每一列为五个进水口，每一层为二个进水口。

上述技术方案中，所述浑水地下水池的容积小于清水地下水池容积，浑水地下水池可以进行泥沙、盐水、示踪剂或污染物的投放，浑水地下水池进行循环冲洗，可保证泥沙及污染物混合均匀。

上述技术方案中，所述水槽出水口切换系统包括可滑动水箱、滑轨及滤网构成的箱体结构，其与水槽主体底端相连接的为一高度可调的伸缩式连通排放管，通过滑动水箱进行不同循环系统间的切换。

本发明所述水槽控制系统集成了清水水泵和浑水水泵开关，进水系统中二十个电磁阀控制开关，其中，清水系统十个、浑水系统十个，两个取样放空出口电磁阀开关以及气压千斤顶开关，并对它们进行开或关的控制。

本发明所述浑水地下水池内可以加装加热设备来模拟温差异重流运动。

本发明所述清水地下水池中清水由第一水泵从清水地下水池送到清水地上水箱中，当水量超过水箱的容积时，清水自动溢流回地下清水池中；所述浑水地下水池中浑水由第二水泵从浑水地下水池送至浑水地上水箱中，同时浑水地上水箱中浑水通过管道经循环冲洗出口排回地下浑水池，以保证试验过程中浑水始终处于循环过程。

本发明多相流试验水槽系统在试验中水体分别通过清水循环系统及浑水循环系统流出，由水槽控制系统控制的进水系统进入水槽主体，而后通过出水口切换系统流出并回到清水循环系统和浑水循环系统。

本发明多相流水槽试验系统可以满足对于异重流及其他液-液、液-固多相流的试验研究，包括水温异重流、高浓度盐水多相流及耦合多种性质流体运动的环境水污染相关研究。

本发明多相流试验水槽系统还能配合粒子成像测速仪(PIV)、激光测速仪(LDV)、声学多普勒测速仪(ADV)及数码成像设备构成先进的量测系统，同时水槽主体顶端设置有可滑动仪器架，供测量过程中所需用的仪器放置。

本发明多相流试验水槽系统的建立，能更深入地研究多相流问题和进行水环境机理性研究，该多相流试验水槽系统的实施具有重要的科学应用价值和现实的研究意义。

本发明与现有技术相比具有以下的优点及积极效果：

1.本发明水槽主体采用钢架结构玻璃，提供了稳定水槽主体结构和水槽内稳定的流场、玻璃壁面便于观测并减少壁面对流场影响。

2.本发明水槽主体为20米的水槽长度可以满足多相流研究的需要，为大尺度概化模型试验提供了有效手段。

3.本发明水槽主体采用变宽度、气压式变坡系统，提高了模型的适用性且自动化程度高，可以单人独立进行操作。

4.本发明水槽主体的钢架结构沿程设有取样孔，便于分析，且顶端设置有仪器架，为自动化测量提供方便。

5.本发明水槽系统中独立的清水和浑水循环系统，减少了试验用水量和试验成本，对污染水样也便于进行回收处理。

6.本发明水槽系统中浑水循环系统可以进行冲洗搅拌，并能随时增加浑水含沙量，简便改造后的浑水系统还可以进行加热处理和其他物质的投放。

7.本发明水槽系统的进水口两列五层共计十孔的结构设计，可全断面进水或独立分层进水，进水流量通过文丘里流量计进行同步记录。

8.本发明水槽系统中每孔进水口均采用电磁阀进行控制，并设有取样阀门，控制系统集成在同一个控制面板，操作使用方便，并设有手动阀门作为保障。

9.本发明水槽系统中出水口采用与水槽主体底端相连接伸缩式的连通性排放设计，保证试验过程中水槽液面稳定。

10.本发明水槽系统中出水口切换系统的设计简单，且操作方便，有效解决了清水与浑水不同循环系统间的切换装置问题。

附图说明

图1本发明多相流试验水槽系统整体结构方框示意图；

图2本发明多相流试验水槽系统整体结构示意图；

图3本发明多相流试验水槽系统的进水系统中五个电磁阀分别对应的两列五层分层进水口的结构示意图；及剖视结构图；

图4本发明多相流试验水槽系统中水槽主体结构示意图；

图5(a)本发明多相流试验水槽系统的出水口切换系统中排放浑水状态示意图；图5(b)出水口切换系统中排放清水状态示意图。

附图中各代号的含义：1清水地下水池；2浑水地下水池；3清水地上水箱；4浑水地上水箱；5第一抽水泵；6第二抽水泵；7循环冲洗出口；8第一取样放空出口；9第二取样放空出口；10第一手动阀门；11第二手动阀门；12第一流量计；13第二流量计；14控制系统；15电磁阀门组；16水槽主体；17千斤顶；18伸缩出水口；19出水口切换系统；20供水管；21电磁阀；22挡板；23玻璃壁面；24水槽进水口；25水槽出水口；26钢结构；27取样孔；28支架；29支撑铰链；30滑动水箱；31滤网；32滑轨；33清水循环系统；34浑水循环系统。

具体实施方式

下面结合附图并用实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容。

图1框图中，多相流试验水槽系统的清水循环系统33和浑水循环系统34流出的水体进入进水系统，由水槽控制系统14控制的进水系统的水体再进入水槽主体16，而后水槽主体中的水体通过水槽出水口切换系统19流出并回到清水循环系统和浑水循环系统。

图2中，水槽主体16底部设置有能伸缩支架27和气压千斤顶17，并将它们固定于地面；水槽进水系统由第一取样放空出口8和第二取样放空出口9、第一手动阀门10和第二手动阀门11、第一流量计12和第二流量计13及电磁阀门组15组成，水槽进水系统中电磁阀门组15与水槽主体16顶端连接；清水循环系统33包括清水地下水池1和清水地上水箱3，清水地下水池通过第一水泵5与清水地上水箱3连接；浑水循环系统34包括浑水地下水池2和浑水地上水箱4，浑水地下水池2通过第二水泵6与浑水地上水箱4连接；水槽进水系统中连接电磁阀门组15的第一流量计12另一端连接第一手动阀门10，第一手动阀门再与第一取样放空出口8连接，第一取样放空出口通过供水管20与清水地上水箱3连接；同样，水槽进水系统中连接电磁阀门组15的第二流量计13另一端连接第二手动阀门11，第二手动阀门再与第二取样放空出口9连接，第二取样放空出口通过供水管20与浑水地上水箱4连接；水槽控制系统14设置在水槽主体16顶端的水槽进水口24侧；水槽出水口25连接于水槽主体底端，水槽出水口切换系统19位于水槽主体16底部外，并与清水地下水池1和浑水地下水池2连接。本图中，前头为实验中水体流动方向。

图3中，水槽进水系统中连接第一流量计12和第二流量计13的电磁阀门组15由五个相同电磁阀21组成，两列五层分层进水口设置在水槽进水口侧，每列设有五个进水口，每层设有两个进水口，每层进水口用挡板22隔开。

图4中，水槽主体16的钢结构26外框连接伸缩支架28，支撑铰链29用于支撑固定水槽主体，水槽主体顶端和底端分别设置水槽进水口24和水槽出水口25，水槽主体的钢结构26上设置有若干取样孔27，水槽主体的玻璃壁面23便于观察。

图5(a)中，排放浑水状态，水槽出水口切换系统19中滑轨32上的滑动水箱30使水箱排放口对准浑水地下水池，浑水自可伸缩出水口18进入，通过滤网31过滤部分泥沙后进入浑水循环系统34。

图5(b)中，排放清水状态，水槽出水口切换系统中滑动水箱30至使水箱排放口对准清水地下水池，浑水自可伸缩出水口18进入，而后进入清水循环系统33。

实施例：

本实施例中所用水槽主体其玻璃水槽高为1m，长为20m。

采用本发明的多相流试验水槽系统进行水库泥沙异重流进行实验工作的过程及操作步骤：

试验前，按图2所示结构连接好水槽系统。推动水槽主体可滑动侧钢结构，将水槽主体16的内径宽度调整为20cm，固定住水槽底板和滑动侧钢结构。然后打开水槽控制系统中的气压千斤顶17开关，使得水槽主体进水口侧24部分缓慢抬升，当水槽主体坡度为6％时，固定住伸缩支架28。

首先向浑水地下水池2内倒入10KG的泥沙，打开浑水循环系统34的第二水泵6开关，经过10分钟左右时间的循环流动后，可以使浑水地下水池2及浑水地上水箱4内的含沙浑水经过冲洗搅拌较为均匀后，从第二取样放空出口9抽取水样。然后打开清水循环系统33的第一水泵5开关，打开水槽控制系统中的控制清水进水的10个电磁阀开关，从而启动清水循环系统中的电磁阀门组的全部10个阀门，向水槽主体内注入清水，调整水槽出水口切换系统中的可伸缩出水口18至75cm，出水口切换至清水循环系统。

待水槽主体内清水从出水口25处排出后，关闭清水开关。将水槽控制系统中的开关切换至浑水开关，启动浑水系统电磁阀门组中底层两个阀门开关，浑水便流入已经放有清水的水槽中。

根据第二流量计13的读数，记录下浑水进入的流量，并量测水槽进水口24处的水深及水槽出水口25处的水深，同时记录现有水槽宽度及坡度，从浑水进入水槽开始便记录其运动时间直至浑水前锋运动到水槽末端。

本发明所述浑水异重流在水槽运动过程中，还可利用先进的量测设备，例如声学多普勒测速仪(ADV)测量浑水运动过程中的垂向流速；利用粒子成像测速仪(PIV)测量其运动的流场情况；利用数码成像技术对浑水运动过程进行记录；还可以通过取样孔27抽取水样，分析其含沙量变化，便于后处理分析。最后，待浑水运动到水槽末端时，水槽出水切换系统切换至浑水循环系统，此时关闭电磁阀门组。至此，完成一次浑水异重流试验。

Claims (10)

1.一种多相流试验水槽系统，其特征在于包括水槽主体(16)，清水循环系统(33)，浑水循环系统(34)，进水系统，控制系统(14)及出水口切换系统(19)六大部分；其中，水槽主体底部设置有支架(28)和千斤顶(17)，主体用支撑铰链(29)固定于地面；进水系统由第一取样放空出口(8)和第二取样放空出口(9)、第一手动阀门(10)和第二手动阀门(11)、第一流量计(12)和第二流量计(13)及电磁阀门组(15)组成，进水系统中电磁阀门组与水槽主体顶端连接；清水循环系统包括清水地下水池(1)和清水地上水箱(3)，清水地下水池通过第一水泵(5)与清水地上水箱连接；浑水循环系统包括浑水地下水池(2)和浑水地上水箱(4)，浑水地下水池通过第二水泵(6)与浑水地上水箱连接；进水系统中连接电磁阀门组的第一流量计另一端与第一手动阀门连接，第一手动阀门连接第一取样放空出口，第一取样放空出口再与清水地上水箱连接；连接电磁阀门组的第二流量计另一端与第二手动阀门连接，第二手动阀门连接第二取样放空出口，第二取样放空出口再与浑水地上水箱连接；控制系统设置在水槽主体顶端水槽进水口(24)侧；水槽出水口(25)连接于水槽主体底端，出水口切换系统设置在水槽主体出水口外部，并与清水地下水池和浑水地下水池通过供水管(20)连接。

2.根据权利要求1所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述水槽主体(16)设置为钢结构(26)的玻璃水槽，宽度在15～40cm可变，坡度在0～4％可调的变宽、变坡度的玻璃水槽。

3.根据权利要求1所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述水槽主体(16)底部的支架(28)为可调节高度的伸缩支架，所述千斤顶(17)为气压千斤顶。

4.根据权利要求1所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述进水系统中在第二流量计(13)和第二手动阀门(11)与第二取样放空出口(9)之间设置有循环冲洗出口(7)。

5.根据权利要求1或2所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述水槽主体(16)的钢结构(26)上沿程设置有取样孔(27)，其玻璃水槽的玻璃壁面(23)便于观察。

6.根据权利要求1所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述进水系统中的电磁阀门组(15)由五个相同的电磁阀(21)构成，每个电磁阀之间用挡板(22)隔开。

7.根据权利要求1或6所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述五个电磁阀(21)每个分别对应两列五层分层的不同进水口。

8.根据权利要求1或6所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述两列五层分层进水口的每一列为五个进水口，每一层为二个进水口。

9.根据权利要求1所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述浑水地下水池(2)的容积小于清水地下水池(1)的容积。

10.根据权利要求1所述的多相流试验水槽系统，其特征在于所述出水口切换系统(19)包括可滑动水箱(30)，滑轨(32)及滤网(31)构成的箱体结构，其与水槽主体底端连接的供水管(20)为一高度可调的伸缩式连通排放管，通过滑动水箱进行不同循环系统间的切换。

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