CN102507133A - 可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种可拆卸、多功能的弯道水循环系统。弯道水循环系统由支承结构、水泵、90°弯段、弯道段、直道段、消能栅、水箱、可伸缩管道段及测量仪器组成，其中弯道各段均为铆接，可拆卸。发明结构简单、可操作性强、可拆卸容易搬迁、研究用途广。本发明用于对直道和弯道中的水流特性、泥沙运动特性及水流泥沙相互作用特性的研究，对于水力学与河流动力学方向及泥沙运动力学方向的实验研究有很大的意义。

Description

可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置

技术领域

本发明是关于水利工程实验装置的，特别涉及一种弯曲河道水循环系统的实验装置。

背景技术

弯曲型河流是自然界最为常见的河流形态，对于弯曲型河流动力过程的研究，既要有重要的理论价值又要具有较大的实用价值。模型实验是研究弯道水流的一种基本方法。现有对弯道水流的研究虽已有不少成果，但大多都是针对简单弯道的研究。而对于含有多个河湾的充分发展的连续弯道作用下弯道的水流结构、泥沙运动规律及河床变形规律等还有待于进一步研究。现有的实验研究对弯道水流的认识基本上局限于水流的核心区域，对水面、边壁附近的紊流特性研究较少，难以用于对数学模型的整体校验及理论分析。另外目前的很多弯道水循环系统实验均是从地下水库取水，占地面积大且灵活性小。

对于弯曲河道水循环系统的实验，流速的测量是实验的一个主要工作。目前的弯道水循环系统的实验常用的流速测量方法很多，且侧重点、使用条件及测量范围各不相同。主要有：毕托管测速(Pitot Tube)、旋桨流速仪、激光多普勒流速仪(LDV)、多普勒超声测速仪(ADV)及粒子图像测速(PIV)等。对于流量的测量可用流量计读出。温度计可直接用于测量实验水温。对于床面高程及水位均可使用移动测针读出。因上述测量手段和技术的成熟，所以本发明可以借助上述测量手段和成熟技术，以更好地发挥其实验研究作用。

发明内容

本发明针对现有实验研究中存在的不足和现今技术的发展，提供了一种可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置。用于研究弯曲河道中的水流特性、泥沙运动特性及水流泥沙相互作用的特性。

弯曲河道的床面和岸壁组成了弯曲河道水流的外边界条件。边界条件的不同，使得弯曲河道中行进的水流运动特性也与顺直河段中不同。弯曲河道中的水流紊流结构较为复杂，进入弯段后，水流紊动强度较入弯前自然状态时有所增大，从而会引起水流能量损失的较大增加；由于弯曲河道水流产生了螺旋流动及可能出现的分离现象，水流紊动强度的变化使得弯曲河道水流的阻力要比相同长度的顺直河段要大。弯道水流上述这些特有的运动现象，使得其中泥沙运动的规律也有所不同。因此本发明可拆卸弯曲河道水循环系统的设计目的就是研究弯道中的水流特性、泥沙运动特性及水流泥沙相互作用特性等，为相关专业领域的很多问题的实验研究提供很好的实验装置方案。本发明使得实验研究更为方便、精确且更能反映实际情况。同时实验工作对于数模计算起到了很好的验证及对比作用。本发明可做的实验包括：(1)清水定床实验，研究弯道水流的紊流特性及紊流结构；(2)床沙动床实验，研究挟沙水流的流场特性，泥沙起动及输移情况，泥沙在水流作用下床面变形情况及河床稳定性；(3)研究不同边界条件，包括内在水流泥沙条件及外在边界条件，对上述两种实验的水流泥沙运动规律的影响。

通常，弯曲河道的水流具有明显的三维性运动特性，对弯曲河道水流和泥沙规律的研究，在水利工程学的许多领域中占有重要的位置。

本发明通过如下技术方案予以实现。

可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，包括水泵、水箱、水槽和支承结构，其特征在于，所述水箱为左水箱1和右水箱2，左水箱1通过左管道固定段9、水泵8、塑料管道段12和右管道固定段10与右水箱2相连通，左管道固定段9上设置有阀门14和水泵8，右管道固定段10上设置有流量计11；左水箱1的另一开口端通过左90°弯段水槽5、左直段水槽3、弯段水槽7、右直段水槽4和右90°弯段水槽6与右水箱2的另一开口端相连通，实验装置形成闭路的循环系统；所述左直段水槽3上、与左90°弯段水槽5相连接一端设置有消能栅13，所述左、右各段水槽上沿的外侧设置有6cm宽的有机玻璃条；所述实验装置的下面设置有整体支承结构。

所述左水箱1和右水箱2与左管道固定段9和右管道固定段10的连接部位是由矩形渐变为圆形的过渡结构；与左90°弯段水槽5和右90°弯段水槽6的连接部位是由矩形渐变为矩形的过渡结构。

所述各段水槽为有机玻璃材料，厚度以满足实验水流及泥沙承重与稳定性的要求。

所述左水箱1和右水箱2为铸铁材料，其厚度以满足承载力要求。

所述左管道固定段9和右管道固定段10为铁管，塑料管道段12为螺纹塑料管。

所述左水箱1和右水箱2的内部及外部涂有保护层。

所述弯段水槽7可以借助弯道生成程序，生成正弦派生曲线或者Kinoshita型派生曲线或者任意型曲线，曲线波长应保证各相邻弯道之间有足够的距离架设仪器。

所述左管道固定段9上设置的阀门14为转动阀门。

本发明的有益效果是：

(1)结构简单、制作加工方便、可操作性强、可拆卸、容易搬迁，解决了从水库抽水的困难；

(2)测量范围大，结构调节方便；

(3)可拆卸性及各组成部分的灵活组合，实验装置各部分可以重复使用；根据测量需要只需更换弯段水槽(7)即可测量不同弯曲度及不同偏角的弯曲河道水流泥沙特性。

(4)用途广泛，不仅可用与水流结构的研究，还可用于水沙相互作用的研究；既可以研究单一弯道的水沙特性还可研究多弯道水沙特性；不仅可以研究常曲率弯曲河道水流问题还可研究变曲率弯曲河道水流问题。

附图说明

图1为本发明实验装置的整体结构俯视图；

图2为本发明实验装置的90°典型弯曲河道俯视图；

图3为本发明实验装置的典型弯曲河道示意图；

图4为本发明实验装置的水箱结构示意图；

图5为本发明实验装置的水槽结构局部示意图。

附图标记说明如下：

1——左水箱            2——右水箱，

3——左直段水槽        4——右直段水槽

5——左90°弯段水槽    6——右90°弯段水槽，

7——弯段水槽          8——水泵

9——左固定管道段      10——右固定管道段

11——流量计           12——塑料管道段

13——消能栅           14——阀门

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

参见图1，本发明可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置的工作原理是：开启水泵8，水流从右水箱2抽出，经过右固定管道段10、流量计11及塑料管道段12，再经过水泵8、阀门14和左固定管道段9到达左水箱1；水流再由左水箱1的另一开口端、通过左90°弯段水槽5、消能栅13、左直段水槽3、弯段水槽7、右直段水槽4和右90°弯段水槽6，再通过右水箱2的另一开口端进入右水箱2，完成水循环。

右管道固定段10上安装有流量计11；消能栅13为三块布满圆孔的竖板结构，垂直插在左直段水槽3的前端。

本发明各段水槽选用有机玻璃材料，厚度为6mm。水箱选用铸铁材料，厚度为3mm。水箱的内部及外部涂有保护层，所述保护层为工业用漆，其作用有二：一是防止铁生锈腐蚀；二是保持水流的平顺。左、右固定管道段为铁管，塑料管道段为螺纹塑料管。实验装置的各组成部分均为铆接，左、右水箱为焊接。

左水箱1和右水箱2与左管道固定段9和右管道固定段10的连接部位是由矩形渐变为圆形的过渡结构；与左90°弯段水槽5和右90°弯段水槽6的连接部位是由矩形渐变为矩形的过渡结构，如图4所示。

左管道固定段9上安装一个转动阀门，便于提供连续流量。

由于本发明具有可拆卸性，依据实验需要，与左、右水箱连接的可以是左、右90°弯段水槽或者是左、右直段水槽；弯段水槽7是可变的，研究者可以根据实验及研究需求生成不同的弯道，如：sine型弯和Kinoshita型弯等等。图3是典型弯曲河道示意图，研究者只需更换弯段水槽7即可测量不同弯曲度及不同偏角的弯道水流泥沙特性，也可以选择1个或者多个弯道组成弯段水槽，其曲线波长应保证各相邻弯道之间有足够的距离架设仪器。

如图5所示，左、右各段水槽上沿的外侧分别设置有6cm宽的有机玻璃条，便于安装测量仪器。在有机玻璃水槽边沿下部粘贴标尺，根据弯道断面尺寸架设可固定于任意断面处的移动测针架，在其上面安装测针以测量具体每个横断面的水位及泥沙淤积高度。

实验装置的下面设置有整体的支承结构，各段水槽架设在铁支座上，以便于架设测量仪器。两个水箱均架设在较低的铁支座上，防止长期与地面接触导致生锈、腐蚀。

实施例2

对于常曲率最大偏角为90°的实验装置安装方式如图2所示，水流从右水箱2经过右固定管道段10、塑料管道段12，再经水泵8、左固定管道段9到左水箱1，从左水箱1经过左直段水槽3，其中左直段水槽3的前端设有消能栅13，经过消能和一长距离的直段水槽3后，进入左90°弯段水槽5，通过右90°弯段水槽6后，再经过右直段水槽4，回到右水箱2，完成弯曲河道水循环。

本发明适用于研究不同偏角、曲率下固定边壁弯曲河道水槽中水流特性、泥沙运动特性及水流泥沙相互作用特性等一系列涉及水力学、河流动力学、泥沙运动力学、河床演变学方面的实验研究。

Claims (8)

1.一种可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，包括水泵、水箱、水槽和支承结构，其特征在于，所述水箱为左水箱(1)和右水箱(2)，左水箱(1)通过左管道固定段(9)、水泵(8)、塑料管道段(12)和右管道固定段(10)与右水箱(2)相连通，左管道固定段(9)上设置有阀门(14)和水泵(8)，右管道固定段(10)上设置有流量计(11)；左水箱(1)的另一开口端通过左90°弯段水槽(5)、左直段水槽(3)、弯段水槽(7)、右直段水槽(4)和右90°弯段水槽(6)与右水箱(2)的另一开口端相连通，实验装置形成闭路的循环系统；所述左直段水槽(3)上、与左90°弯段水槽(5)相连接一端设置有消能栅(13)，所述左、右各段水槽上沿的外侧设置有6cm宽的有机玻璃条；所述实验装置的下面设置有整体支承结构。

2.根据权利要求1的可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，其特征在于，所述左水箱(1)和右水箱(2)与左管道固定段(9)和右管道固定段(10)的连接部位是由矩形渐变为圆形的过渡结构；与左90°弯段水槽(5)和右90°弯段水槽(6)的连接部位是由矩形渐变为矩形的过渡结构。

3.根据权利要求1的可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，其特征在于，所述各段水槽为有机玻璃材料，厚度以满足实验水流及泥沙承重与稳定性的要求。

4.根据权利要求1的可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，其特征在于，所述左水箱(1)和右水箱(2)为铸铁材料，其厚度以满足承载力要求。

5.根据权利要求1的可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，其特征在于，所述左管道固定段(9)和右管道固定段(10)为铁管，塑料管道段(12)为螺纹塑料管。

6.根据权利要求1的可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，其特征在于，所述左水箱(1)和右水箱(2)的内部及外部涂有保护层。

7.根据权利要求1的可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，其特征在于，所述弯段水槽(7)可以借助弯道生成程序，生成正弦派生曲线或者Kinoshita型派生曲线或者任意型曲线，曲线波长应保证各相邻弯道之间有足够的距离架设仪器。

8.根据权利要求1的可拆卸多功能弯曲河道水循环系统实验装置，其特征在于，所述左管道固定段(9)上设置的阀门(14)为转动阀门。

Images