CN102636330A - 用于模拟复杂分层流动水体的装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟复杂分层流动水体的装置及其模拟方法，包括多路循环水槽和多路流率闭环控制系统，所述多路循环水槽包括方形水槽，在方形水槽一内侧面设置有多个进水模块组，在方形水槽内进水模块组相对一侧面设置有多个出水模块组；所述多路流率闭环控制系统包括用于控制进水模块组进水的进水模块流率控制系统和用于控制出水模块组出水的出水模块流率控制系统，蓄水池内的水依次通过进水泵、进水模块流率控制系统打入进水模块组，出水模块组的出水经过出水模块流率控制系统、真空抽水泵进入蓄水池。本发明可以在同一水槽中构建出多种复杂水流形态，具有适应性强，重现性好、重构流场相似度高、控制方法简单等优点。

Description

用于模拟复杂分层流动水体的装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及浅水湖泊和河流系统水体流动形态的重构，特别是在水槽中构建具有复杂分层流动水体水流形态的装置及方法，属于水利及水环境科学领域。

背景技术

在自然的河流与湖泊中，水流通过对泥沙长期地侵蚀、搬运和堆积，创建了多样性的河槽，诸如浅滩、深潭、交汇、收窄或变宽等多种形态，使得自然水体的流速和流态非常复杂。同时，人类也在不断的对河流湖泊进行着改造，包括筑坝、筑堤、裁弯取直、人造护坡、人工植被等，这些改造也使得自然河流发生类似形态直线化、河道横断面几何规则化、河床和边坡材料硬质化等变化。多样化的河槽形态特征使得水流在纵横断面及水深方向上的流速分布通常是不均匀，因此基于不同河槽特征的水体水流形态研究和模拟非常困难。其次，河床泥沙颗粒度、岩石形态、水生植物分布、水面风速等对水体水流速度分布也有较大的影响，在相同的研究水域中，不同季节、不同气候条件下水流形态也有较大的变化，更增加了相关研究的难度。此外，河流及湖泊沿岸的工业、农业及城市生活污水排入水体造成不同密度的分层流，热、核电厂废热排放产生的热分层流等，均使得局部水域的水流形态更为复杂，对水流真实流态的模拟更为困难。然而，这些区域往往又是水利工程及水环境领域研究的重点区域。因此，研发适用于模拟天然水体复杂水流的方法具有重要的应用价值。

当前，试验水槽仍是水动力、水环境及水利工程科学研究领域的重要工具。如何在试验水槽中构建与目标水体相似的水流环境是后续研究工作开展的重要基础。目前通常使用的动水试验水槽主要有水流量控制型和外部扰动型两种，水流量控制型水槽主要通过调节水泵流率、尾门开启度等来控制水槽中水流速度，这种水槽结构简单，但对水流形态控制能力差，每个工况只能实现对一种流速的近似模拟，无法模拟具有复杂流动特点的目标水体。外部扰动型水槽主要是通过在水槽水体边界上施加人工扰动，如采用旋浆式、活塞式、振荡式、吹风式外力激励水槽内水体的方法，这些方法所构建的水流形态只模拟了自然水体水流形态的某一种特点，与真实的水体流态仍有较大的差别，这就在很大程度上影响了试验研究的准确度和精度。

自然界的水体水流形态是多变的，针对多种多样的水体流速形态建立不同的水槽显然是不合适的，甚至很难做到。因此在单一水槽中柔性的构建各种自然水体中的水流形态，实现对复杂水流的模拟，将对水利工程和水环境科学研究具有非常大的价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于模拟复杂分层流动水体的装置，可以在单一水槽中柔性的构建各种自然水体中的水流形态，实现对复杂水流的模拟。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于模拟复杂分层流动水体的装置，包括多路循环水槽和多路流率闭环控制系统，所述多路循环水槽包括方形水槽，在方形水槽一内侧面设置有多个进水模块组，在方形水槽内进水模块组相对一侧面设置有多个出水模块组；所述多路流率闭环控制系统包括用于控制进水模块组进水的进水模块流率控制系统和用于控制出水模块组出水的出水模块流率控制系统，蓄水池内的水依次通过进水泵、进水模块流率控制系统打入进水模块组，出水模块组的出水经过出水模块流率控制系统、真空抽水泵进入蓄水池。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述进水模块组或出水模块组包括中空的基座，基座上设置有一个引出接口和多个水口。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：多个进水模块组或出水模块组平行设置。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述进水模块流率控制系统包括计算机，计算机与伺服运动控制器相连，伺服运动控制器与多路伺服控制器相连，多路伺服控制器与多个进水伺服电机相连，进水伺服电机通过进水流量控制阀接入进水模块组。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述出水模块流率控制系统包括计算机，计算机与伺服运动控制器相连，伺服运动控制器与多路伺服控制器相连，多路伺服控制器与多个出水伺服电机相连，出水伺服电机通过出水流量控制阀接入出水模块组。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括超声多普勒测速仪，超声多普勒测速仪与计算机相连。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括液位传感器，计算机通过模数转换器与液位传感器相连。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括溢流阀，溢流阀的进口端连接进水泵的出口，溢流阀的出口端连接至蓄水池。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)伺服控制系统初始化，超声多普勒测速仪及液位传感器初始化，开启进水泵及真空抽水泵，开启进水流量控制阀，关闭出水流量控制阀，水位上升至高水位限定线与低水位限定线之间时，关闭进水流量控制阀；

2)根据实际水体的分层水流形态，预设几个关键点水流速度及各层进水流量控制阀和出水流量控制阀的导通率，由计算机控制进水伺服电机和出水伺服电机按预设值开启进水流量阀和出水流量控制阀；

3）将超声多普勒测速仪的测量头移动至关键点位置，水流速度信息自动反馈到计算机，微机伺服系统调节相应层进出水口流率，使得实际速度之差在误差范围内，并反复进行所有关键点位置的标定过程，直至所有关键点位置的流速差均在误差范围内，此时水槽中的水流形态已构建完成，可以开展后续研究；

4）完成实验后，关闭进水模块及进水泵，出水模块全部开启，待排空水槽中的水后关闭出水模块，关闭伺服控制系统及相关设备。

本发明的工作原理：为了克服目前在水利和水环境科学研究中，试验水槽水流形态与实际研究水域相差较大，尤其是无法根据研究区域、河槽形态、动植物分布和风速变化条件下随时调整重构水流形态的问题，本发明提出了一种柔性构建复杂分层水流形态的方法。其中柔性构建的关键问题是如何使得水槽的进水侧和出水侧在深度方向上的水流速度分布可控。因此，本发明核心技术是采用多入口、多出口的水循环方式，进水口和出水口按层状阵列式相对排列，进水口和出水口流率可以无级调节。通过水槽各层进水口和出水口流率的组合，可以在一个水槽中模拟出多种复杂分层流动水流形态，满足后续研究需要。

本发明中，单个进出水模块上水平开设了多个管状水口，每一个进出水模块均由流量控制阀控制其进出水流率，且都受控于微机伺服系统，均为单独的进出水流率调节单元。水槽的进水侧和出水侧均垂直安装了多组这样的流率控制单元，在微机控制下对水槽不同深度层进行流速调节。同时在水槽中部安装有超声多普勒测速仪进行实时流速采集，可实时的将不同深度水流速度信息反馈给微机，在微机控制下自动调节各层进出水模块的进出水流率，从而很好地构建目标水域的水流状态。

本发明所达到的有益效果：

1)本发明的方法能够在同一水槽中模拟出各种具有复杂分层流动水流形态的水体。

2)水槽流场采用多路闭环控制，重构流场与实际流场近似度高。

3)每次重构的流场控制参数组合可保存在计算机中，调用同一组控制参数可方便的重现预定流场，重复精度高。

4)基于不同的研究目的，水槽中可放置如底泥、水生植物、动物、船只模型等研究对象，可广泛适用于水利和水环境科学研究等相关领域。

附图说明

附图1是水槽外形及内部结构示意图；

附图2是进出水模块立体示意图；

附图3是水槽俯视图；

附图4是水槽“A-A”截面视图；

附图5是水槽“B-B”截面视图；

附图6是水槽控制系统原理图。

附图中各标号的意义为：

1.水槽； 2.水位限定线； 3.引出接口； 4.水口； 5.基座； 6.多路伺服控制器；7.伺服运动控制器； 8.计算机； 9.超声多普勒测速仪； 10.模数转换器； 11.液位传感器；12.出水伺服电机； 13.出水流量控制阀； 14.真空抽水泵； 15.蓄水池； 16.溢流阀； 17.进水泵； 18.进水流量控制阀； 19.进水伺服电机 。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅举例而已。

图1为水槽的外形图及内部结构图，水槽1为上部开口长方体容器，采用钢化玻璃或有机玻璃制成，方便对内部水流或研究目标进行观测。为防止使用过程中因水面波动而使水溢出，水槽水位限定线2低于水槽顶部10~15cm。图2为进出水模块结构图，由引出接口3、水口4和基座5组成，采用铜合金或有机玻璃制成，基座5为空心长方块，分别与引出接头3和水口4连通。进水侧的引出接口3与进水流量控制阀18连接，可将水引入基座5且通过水口4喷出，出水侧的引出接口3与出水流量控制阀13连接，把由水口4吸入基座5的水导出。基座5的长度和水口的数量均由水槽的宽度决定，水口4中心距不大于6cm。进出水模块分别安装在水槽内的进水侧和出水侧（图3），平行于水槽底面安装（图4、图5），可采用螺钉或玻璃胶固定在水槽内侧壁上，安装时水口中心垂直间距不大于8cm，且在水槽对应位置开孔，使得每个引出接口3伸出水槽外，并用玻璃胶密封。进出水模块的垂直安装数量由水槽高度决定，最上方进出水模块水口中心低于水面5~8cm，最下方进出水模块水口中心高于水槽底面5~8cm。

图6为水槽控制系统原理图，进水泵17将蓄水池15中的水增压后输送到水槽进水侧，水泵出水口装有溢流阀16，当水泵17出水压力高于设定压力时，溢流阀16开启溢流泄压，进水经过流量控制阀18调节流率和压力后由进水模块的各个水口4喷出。在出水侧，真空抽水泵14在出水管路里产生负压，水槽1里的水经由出水模块上的各个水口4吸出，经过流量控制阀13调节每层出水模块的出水流率，吸出的水均汇聚到蓄水池15中，从而形成水循环系统。所有流量控制阀（13、18）均由伺服电机（12、19）控制其实时导通率。在水槽1中安装有可移动式超声多普勒流速仪9，用于测定水槽中关键点的流速，并实时的将流速信息传递给计算机8，通过比较多个关键点的设定与实际流速差，计算机8控制伺服运动控制器7发出增大或减小各层进出水口流率的指令，由多路伺服控制器6驱动对应层的伺服电机，调整对应层流量控制阀的导通率，从而实现水槽流场自动闭环控制。在流量控制中，每个进水模块和出水模块流率必须成对调节，使得水槽的进出水流量保持平衡。同时，在水槽中设置液位传感器11，用于探测水槽运行过程中水位是否到达最高限位或最低限位2，并通过模数转换器10将水位信号传递给计算机8，及时调节进出水侧的水流率，从而维持水槽水位保持稳定。

本发明用于模拟复杂分层流动水体的装置的模拟方法，包括以下步骤：

1)伺服控制系统初始化，超声多普勒测速仪9及液位传感器11初始化，开启水泵17及真空抽水泵14，开启进水模块，关闭出水模块，水位上升至高低水位限定线2之间时，关闭进水模块。

2)根据实际水体的分层水流形态，预设几个关键点水流速度及各层进出水流量控制阀（18、13）的导通率，由计算机8控制伺服电机（19、12）按预设值开启进出水流量阀（18、13）。

3)将超声多普勒测速仪9的测量头移动至关键点位置，水流速度信息自动反馈到计算机8，微机伺服系统调节相应层进出水口流率，使得实际速度之差在误差范围内，并反复进行所有关键点位置的标定过程，直至所有关键点位置的流速差均在误差范围内，此时水槽中的水流形态已构建完成，可以开展后续研究。

4)完成实验后，关闭进水模块及进水泵，出水模块全部开启，待排空水槽中的水后关闭出水模块，关闭伺服控制系统及相关设备。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于模拟复杂分层流动水体的装置，包括多路循环水槽和多路流率闭环控制系统，所述多路循环水槽包括方形水槽(1)，在方形水槽一内侧面设置有多个进水模块组，在方形水槽内进水模块组相对一侧面设置有多个出水模块组；所述多路流率闭环控制系统包括用于控制进水模块组进水的进水模块流率控制系统和用于控制出水模块组出水的出水模块流率控制系统，蓄水池内的水依次通过进水泵(17)、进水模块流率控制系统打入进水模块组，出水模块组的出水经过出水模块流率控制系统、真空抽水泵进入蓄水池。

2.根据权利要求1所述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述进水模块组或出水模块组包括中空的基座(5)，基座(5)上设置有一个引出接口(3)和多个水口(4)。

3.根据权利要求1所述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：多个进水模块组或出水模块组平行设置。

4.根据权利要求1所述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述进水模块流率控制系统包括计算机(8)，计算机(8)与伺服运动控制器(7)相连，伺服运动控制器(7)与多路伺服控制器(6)相连，多路伺服控制器(6)与多个进水伺服电机相连(19)，进水伺服电机(19)通过进水流量控制阀(18)接入进水模块组。

5.根据权利要求1所述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述出水模块流率控制系统包括计算机(8)，计算机(8)与伺服运动控制器(7)相连，伺服运动控制器(7)与多路伺服控制器(6)相连，多路伺服控制器(6)与多个出水伺服电机(12)相连，出水伺服电机(12)通过出水流量控制阀(13)接入出水模块组。

6.根据权利要求1所述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括超声多普勒测速仪(9)，超声多普勒测速仪(9)与计算机(8)相连。

7.根据权利要求1所述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括液位传感器(11)，计算机(8)通过模数转换器(10)与液位传感器(11)相连。

8.根据权利要求1所述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括溢流阀(16)，溢流阀(16)的进口端连接进水泵的出口，溢流阀(16)的出口端连接至蓄水池(15)。

9.根据权利要求1所述的用于模拟复杂分层流动水体的装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)伺服控制系统初始化，超声多普勒测速仪及液位传感器初始化，开启进水泵及真空抽水泵，开启进水流量控制阀，关闭出水流量控制阀，水位上升至高水位限定线与低水位限定线之间时，关闭进水流量控制阀；

2)根据实际水体的分层水流形态，预设几个关键点水流速度及各层进水流量控制阀和出水流量控制阀的导通率，由计算机控制进水伺服电机和出水伺服电机按预设值开启进水流量阀和出水流量控制阀；

3)将超声多普勒测速仪的测量头移动至关键点位置，水流速度信息自动反馈到计算机，微机伺服系统调节相应层进出水口流率，使得实际速度之差在误差范围内，并反复进行所有关键点位置的标定过程，直至所有关键点位置的流速差均在误差范围内，此时水槽中的水流形态已构建完成，可以开展后续研究；

4)完成实验后，关闭进水模块及进水泵，出水模块全部开启，待排空水槽中的水后关闭出水模块，关闭伺服控制系统及相关设备。

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