CN103344410B - 一种连续稳定流动水体的模拟装置 - Google Patents

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一种连续稳定流动水体的模拟装置，包括固定台、电机、环形水槽和环形挡板；固定台水平设置，电机垂直设置在固定台底部，环形水槽垂直设置在固定台上，电机驱动连接环形水槽；固定台上设有固定支架，环形挡板通过固定支架垂直设置在环形水槽中，所述环形挡板上设有开口向下的缺口；所述环形水槽、环形挡板、电机的轴线相同。本发明具有能耗低、效率高，并具有能自由调节水动力条件（流速）的特点；对于景观水体、城市内河道等自然水体可进行不同水力条件下的模拟，对研究相似水体中的微生物生长、水体的水动力参数变化等研究提供可靠的实验室模拟条件，能够模拟河道型自然水体连续稳定的流动状态。

Description

一种连续稳定流动水体的模拟装置
技术领域
本发明是一种模拟自然河道型水体流动的模拟装置，涉及环境保护、水利工程等领域，适用于景观、河道型等自然水体在实验室条件下的模拟试验。
背景技术
近年来，许多城市河道型水环境受到了严重的污染和破坏，受污染的水体滞流、淤积或者流动变缓，水体自净能力变差，水体本身所具有的美化环境、调节城区小气候、景观旅游等功能大大下降，对城市河道型水体进行水质恢复刻不容缓。但由于实验和经济条件等因素的限制，目前很难在真实天然水体中进行实验研究，往往采取实验室模拟的方法进行研究。目前国内模拟装置主要有以下三种形式：水泵和水车循环、桨板推流水槽、旋转水槽。
水泵和水车循环型模拟装置具有在直线渠道中水流条件接近于真实河流，可信度较高及水流速度等水力条件的测定较为容易的优点。但占用场地较大，投资较大，适用于已有类似工程条件可利用的情况。其次，由于在水流循环过程中存在水车或水泵的提升，在一定程度上破坏了水流的稳定流动，特别是在直线渠道较短的情况下，影响更甚。
桨板推流水槽型模拟装置具有结构简单，操作容易，占用场地较小，投资较少的优点。但由于采用搅拌浆来推动水流运动，水流运动速度存在变化，不是稳定流动。其次，搅拌浆搅动时，会对水中物体产生撞击，与生物在河道中的生长状况不符，同时其水流速度等水力条件的测定也比较困难。
旋转水槽型模拟装置具有结构简单，操作容易，占用场地较小，投资较少的优点。但由于整个水桶连同桶内水体一起旋转，在不同的直径下，水流速度分布不均且范围较广，很难反映水流平均流速下生物生长的状况。其次，当桶的旋转速度较大时，存在带不动水流的状况，也就是桶内水流会接近于静止状态，同时其水流速度等水力条件的测定也较为困难。
上述装置由于设计方法都存在一定的缺陷，与真实河道中的水流状况存在着差异。因此，需要一种能模拟连续稳定流动水体的实验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续稳定流动水体的模拟装置，本装置避免了常规装置中存在的产生曝气、挤压等与自然水体不相吻合的影响，具有能耗低、效率高，并具有能自由调节水动力条件（流速）的能力；本装置对于景观水体、城市内河道等自然水体可进行不同水力条件下的模拟，对研究相似水体中的微生物生长、水体的水动力参数变化等研究提供可靠的实验室模拟条件；该装置结构简单，操作容易，占用场地较小，投资少，水流速度分布均匀，能够模拟河道型自然水体连续稳定的流动状态。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种连续稳定流动水体的模拟装置，其特征是，所述模拟装置包括固定台、电机、环形水槽和环形挡板；固定台水平设置，电机垂直设置在固定台底部，环形水槽垂直设置在固定台上，电机驱动连接环形水槽；固定台上设有固定支架，环形挡板通过固定支架垂直设置在环形水槽中，所述环形挡板上设有开口向下的缺口；所述环形水槽、环形挡板、电机的轴线相同。
优选地，所述环形水槽底部设有旋转式滚珠轴承，旋转式滚珠轴承设置在电机的电机轴上。
优选地，所述电机为变频调速电机。
优选地，所述环形挡板与固定支架通过螺栓固定连接。
优选地，所述缺口的正投影形状为长方形，缺口的个数为4个，4个缺口间隔且均匀设置。
优选地，所述环形挡板底部与环形水槽底部之间的距离为10-20mm。
优选地，所述环形挡板位置接近于环形水槽内环，环形挡板与环形水槽内环距离:环形挡板与环形水槽外环距离=1:4。
优选地，所述固定支架由两根竖杆和一根横杆组成，横杆设置在两根竖杆之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
第一，本发明上部由环形水槽和固定环形挡板组成的水流承载系统，下部由调频电机动力装置组成。底部的调频电机提供动力，带动水槽转动，由水槽提供水体流动所需要的动能，利用作用力和反作用力的原理，水槽内水体产生连续均匀的旋转运动，模拟河道型自然水体连续稳定的流动状态。
第二，本发明利用水槽本身的转动提供水体流动的动能，利用旋转水槽带动槽内水体流动。底部电机采用调频电机，则可以通过调节电机频率实现不同的转速和扭矩，带动水槽内水体转动，模拟在不同流速条件下水体的流动。
第三，本发明环形水槽内安装有固定挡板，固定挡板是一扰流装置，其作用是增加水体与装置间的粘滞力，防止旋转速度较大时，发生水槽带不动水流的状况（也就是水槽转动而槽内水体处于静止状态）。从图4和图5的流速分布图中可以看出：在同样转速条件下，未加装固定间隔式环形挡板的水流速度分布均匀接近于最小流速，也就是说基本处于静止状态；而加装固定间隔式环形挡板后，环形水槽内环处流速接近于1.5m/s, 环形水槽外环处流速接近于1.8m/s，流速分布较为均匀。采用螺旋式测速仪放置在环形水槽内测得的实际水流速度与模拟计算结果相似，误差在允许范围内。
附图说明
图1是本发明连续稳定流动水体的模拟装置的结构示意图；
图2是本发明连续稳定流动水体的模拟装置的固定支架和环形挡板的结构示意图；
图3是本发明连续稳定流动水体的模拟装置的环形水槽和变频调速电机的连接方式的结构示意图；
图4是未加装固定间隔式环形挡板的水流速度分布图；
图5是加装固定间隔式环形挡板后的流速分布图；
图中：1固定台、2环形水槽、3滚珠轴承、4电机、5固定支架、6环形挡板、7螺栓。
具体实施方式
下面结合实例的具体实施方式对本发明作进一步的解释。
如图1、2、3所示，一种连续稳定流动水体的模拟装置，包括固定台1、变频调速电机4、环形水槽2、环形挡板6和固定支架5。
固定台1水平设置。变频调速电机4垂直安装在固定台1底部。固定台1上方安装环形水槽2和环形挡板6。环形水槽2和环形挡板6与固定台1垂直设置。环形水槽2、环形挡板6、电机4的轴线相同。
环形水槽2底部安装旋转式滚珠轴承3。转式滚珠轴承3设置在变频调速电机4的电机轴上。变频调速电机4驱动连接环形水槽2。
固定支架5由两根竖杆和一根横杆组成，横杆设置在两根竖杆之间。
环形挡板6通过固定支架5设置在环形水槽2中。环形挡板6与固定支架5通过螺栓7固定连接。环形挡板6上设有开口向下的缺口。缺口的正投影面为长方形。缺口为4个，4个缺口间隔且均匀设置。
环形挡板6底部与环形水槽2底部之间的距离为10-20mm。
环形挡板6与环形水槽2内环和外环之间的水平距离之比为1：4。
新型模拟装置主要由两部分组成：上部水流的承载系统由环形水槽和固定挡板组成，环形水槽底部安装旋转滚珠轴承，由底部电机带动，带动水槽内水体一起旋转，模拟在不同流速条件下水体的流动，固定挡板固定在实验台上，不发生转动；下部由可调速的变频电机组成，可为水槽提供不同的转速和扭矩。
整个恒定流动水体模拟装置固定在固定台1上，环形水槽2由安装在水槽底板下的滚珠轴承3提供支撑，并由调速电机4带动，产生旋转运动。同时在水槽内部安装间隔式环形挡板6，用来增加水槽与水流之间的粘滞力，环形挡板6用固定螺栓7固定在固定支架5上，水槽旋转时，环形挡板保持静止状态。
本发明上部由环形水槽和固定环形挡板组成的水流承载系统，下部由调频电机动力装置组成。底部的调频电机提供动力，带动水槽转动，由水槽提供水体流动所需要的动能，利用作用力和反作用力的原理，水槽内水体产生连续均匀的旋转运动，模拟河道型自然水体连续稳定的流动状态。
本发明利用水槽本身的转动提供水体流动的动能，利用旋转水槽带动槽内水体流动。底部电机采用调频电机，则可以通过调节电机频率实现不同的转速和扭矩，带动水槽内水体转动，模拟在不同流速条件下水体的流动。
本发明环形水槽内安装有固定环形挡板，固定环形挡板是一扰流装置，其作用是增加水体与装置间的粘滞力，防止旋转速度较大时，发生水槽带不动水流的状况（也就是水槽转动而槽内水体处于静止状态）。
本发明避免了常规装置中存在的产生曝气、挤压等与自然水体不相吻合的影响，具有能耗低、效率高，并具有能自由调节水动力条件（流速）的能力。
本发明对于景观水体、城市内河道等自然水体可进行不同水力条件下的模拟，对研究相似水体中的微生物生长、水体的水动力参数变化等研究提供可靠的实验室模拟条件。
本发明结构简单，操作容易，占用场地较小，投资少，水流速度分布均匀。

Claims (4)

1. 一种连续稳定流动水体的模拟装置，包括固定台、电机、环形水槽，固定台水平设置，环形水槽垂直设置在固定台上，电机驱动连接环形水槽，其特征是，设有环形挡板；所述电机垂直设置在固定台底部，固定台上设有固定支架，所述环形挡板通过固定支架垂直设置在环形水槽中，环形挡板上设有开口向下的缺口；所述环形水槽、环形挡板、电机的轴线相同；所述环形水槽底部设有旋转式滚珠轴承，旋转式滚珠轴承设置在电机的电机轴上；所述电机为变频调速电机；所述环形挡板底部与环形水槽底部之间的距离为10-20mm；所述环形挡板位置接近于环形水槽内环，环形挡板与环形水槽内环距离:环形挡板与环形水槽外环距离=1:4。
2. 根据权利要求1所述的连续稳定流动水体的模拟装置，其特征是，所述环形挡板与固定支架通过螺栓固定连接。
3. 根据权利要求1所述的连续稳定流动水体的模拟装置，其特征是，所述缺口的正投影形状为长方形，缺口的个数为4个，4个缺口间隔且均匀设置。
4. 根据权利要求2所述的连续稳定流动水体的模拟装置，其特征是，所述固定支架由两根竖杆和一根横杆组成，横杆设置在两根竖杆之间。
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