CN103424240A - 温差-泥沙耦合异重流模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，该实验系统包括浑水箱，水泵，加热装置，水槽，涡轮流量计，若干温度自记仪和循环水池；所述水槽由导管与水泵和浑水箱连接，涡轮流量计连接在导管上，各温度自记仪的温度探头置于水槽中边壁两个垂向水温测量位置，加热装置安装在水槽上方。本发明实验系统结构简单，操作方便；通过该实验系统减少了以往在异重流试验阶段加热装置对水槽内流场的干扰，成功模拟了泥沙异重流在水温分层水体中的运动过程；这不仅实现了水温垂向分层影响下，泥沙异重流在水槽中层与表层行进的特有现象，且还能提高对异重流分析和研究的可靠性与准确性。

Description

温差-泥沙耦合异重流模拟试验系统

技术领域

本发明涉及一种水库异重流模拟试验系统，特别涉及一种水利工程中水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验系统，属于水利水电工程设施领域。

背景技术

两种或者两种以上比重相差不大、可以相混的流体，因比重的差异而发生的相对运动，即如果一种流体沿着交界面的方向流动，在流动过程中不与其它流体发生全局性掺混现象的流动称为异重流。水库水温在一年中的高温季节如夏、秋两季经常会产生垂向水温分层现象，其温度的不同造成水体的密度在垂向出现差异，当泥沙异重流进入到这种水体后，由于受浮力差的影响，异重流的运动会受到水库自身密度差的影响。这种现象在国内外的水库也有相关记录，如美国Mead湖，由于水库自身的水温分层，使得来流含沙水体在水库中形成了在中层行进的异重流现象。在国内的新安江水库，研究者通过对水体浊度分析也曾观测到坝前中层较表层和底层水体更浑浊的现象。

随着中国水电建设迅猛发展，水库大量出现，特别是水能资源丰富的西南地区。而这一地区的含沙量较低，据资料记载平均在1kg/m³，这种低含沙量的水体在水库形成异重流之后就特别容易受到水库自身垂向水温分层的影响。因此，在对这些地区进行异重流分析时，必须要结合温度来分析。目前，这方面问题已经开始得到许多研究者的关注和研究。90年代，李怀恩就根据冯家山水库的实测资料分析了泥沙异重流对水库垂向水温结构的影响（泥沙异重流对水库水温分布的影响--实例分析，李怀恩）。近年来，水温分层水槽试验已经在室内成功实现，高学平等利用水槽实现了水温分层水库的室内试验，并对水电站多层取水进行了研究。但对影响水温分层的室内研究较少，张小峰，曹巧丽等曾利用高锰酸钾溶液成功模拟了水温分层环境下的异重流室内试验研究[《分层水库异重流试验》，武汉大学学报工学版，2011.8月，第44卷第四期]，分析了由污染物引起的异重流在水温分层环境中的运动情况。现有温差异重流研究中对室内异重流实验的监测技术还亟待提高，为了更准确全面的认识和探讨温差异重流的水动力学特性，因此，有必要对温差-泥沙耦合异重流的进一步研究与分析，以实施监测异重流各断面的流速、温度垂线分布等技术问题。

目前，通过物理模型试验，不仅可为温差异重流理论分析提供定量数据，也是解决工程中异重流课题的重要手段，而模型规律问题是进行异重流实验的关键问题。利用异重流特性，在水库减淤，给水排水工程设计与运用等方面可获得很大效益。在多沙河流上修建蓄水水库和水电站时，设置排沙洞底孔解决水库泥沙问题，合理运用在库底运动的浑水异重流可把泥沙排走，减少水库淤积，是水库减淤的主要措施；在给水工程中，根据异重流特性设计沉淀池，有利于泥沙落淤，可获得较好的水质。由于温度差异所造成的密度差异有限，且温控措施较困难，因此在实验室的小尺度下模拟相对大尺度水库的稳定温度分层环境并对分层强度进行控制一直都是研究难题。

 通过概化模型模拟试验对温差-泥沙异重流的运动特性进行研究，通过试验工况中的水温分层现象，获得了中层和底层出口下的垂向水温分布，分离点深度和间层流厚度等数据，为水温分层环境下的水库泥沙异重流的试验研究奠定了基础，主要通过以下三点来实现：

1、通过加热装置和合理的加热方式，在实验室内较好地模拟了水库水体的温度分层。但这种研究也只局限于温度异重流，并没有综合考虑泥沙对异重流的影响。

2、通过室内水槽实验来模拟泥沙异重流主要是因为受现有观测手段的限制，室外原型观测水温对分层环境下的泥沙异重流的影响有较大难度。国内外的研究表明，实验室利用水槽进行泥沙异重流的试验较为成熟，泥沙本身的特性决定了浑水异重流在水温分层水体中的运动问题的复杂性，包括泥沙颗粒本身的沉降问题；泥沙异重流遇到水温分层水体后的稳定性问题；离底点与潜入点的清混水掺混现象等；中、表层异重流前锋形状；异重流垂向扩散问题以及环境水体温度受泥沙异重流的作用等问题都需要通过实验数据来分析和解决。

3、国内外对温差-泥沙异重流的实验研究还比较少，因此对温差和泥沙异重流的耦合性还应该作进一步的研究与分析.

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和不足，提出一种温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统。该模拟实验系统结构简单，操作使用方便；通过该模拟实验系统减少了以往在异重流试验阶段加热装置对水槽内流场的干扰，成功实现了泥沙异重流在水温分层水体的运动过程；不仅实现了水温垂向分层影响下，泥沙异重流在水槽中层与表层行进的特有现象，而且还能提高对异重流分析与研究的可靠性和准确性。

为实现本发明的目的，本发明是采用由以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，包括浑水箱，水泵，加热装置，出口，水槽，导管，涡轮流量计、若干温度自记仪，以及循环水池；所述水泵一端通过导管与浑水箱连接，水泵另一端通过导管与连接在导管上的涡轮流量计连接，涡轮流量计与水槽连接，涡轮流量计可实时监测进入到浑水箱的浑水流量；所述加热装置安装于水槽上方，温度自记仪放置于水槽外面；水泵从浑水箱抽水，水流通过导管流入水槽，并通过涡轮流量计调节进入到水槽中的水流量大小；所述出口通过导管与循环水池连接。

上述技术方案中，所述水槽依次由进水箱、进水段、斜坡段和平坡段四部分相连而成。

上述技术方案中，所述各温度自记仪上连接有第一温度探头和第二温度探头，第一温度探头和第二温度探头分别置于水槽边壁第一垂向水温测量位置和第二垂向水温测量位置。

上述技术方案中，所述水槽的外壁设置有均匀的刻度。

上述技术方案中，所述浑水箱和水槽的顶端均为敞口，并与大气相通。

上述技术方案中，所述加热装置采用若干加热灯泡组成。

上述技术方案中，所述水槽中水温垂向测量位置每间隔5cm高程布置一个温度探头。

上述技术方案中，为稳持水槽内水面稳定 ，在水槽末端的出口方式为表层溢流。

本发明的温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其加热装置利用灯泡加热主要是对水槽上层水温加热，在水槽内形成水体的上面温度高、下面温度低的垂向水温结构，然后从进水段放入泥沙浑水实现泥沙异重流。由于水的热传导作用不显著，水温的分层较为稳定，且泥沙异重流在水槽的运动时间较短，因此，异重流在水槽中运动的这段时间内水槽与外界的热交换可以忽略不计。利用温度自记仪上连接的温度探头来实时监测水槽中水体的垂向温度，在水槽中共设置了两个监测断面，每个监测断面均在垂向方向布置若干温度探头，每个温度探头探测到的温度均送入温度自记仪，利用涡轮流量计实时监测进入到浑水箱的浑水流量的大小。

本发明温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统的水槽中，所述的进水段，斜坡段与平坡段为主要试验段；为优化进水段流场，在进水段前端设置一个进水箱；为了使进口流场平稳，在斜坡段前端设置进水段，为了加速形成异重流分层现象，在平坡段前端设置了斜坡段；为了能更清楚的观察温差-泥沙异重流分层现象，在斜坡段后设置了平坡段；为稳持水槽内水面稳定，在水槽的出口方式为表层溢流。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益的技术效果：

1、本发明温差-泥沙耦合异重流模拟试验系统成功模拟了水库的分层环境，为未来的试验研究以及大型的物理模型试验奠定了基础。

2、本发明的模拟实验系统在实验室内利用加热灯泡实现了水槽内稳定的垂向水温分层，相比其他方法，如水槽内加热棒加热法，减少了在异重流试验阶段加热装置对水槽内流场的干扰。

3、本发明的模拟实验系统成功实现了泥沙异重流在水温分层水体的运动过程。特别是实现了水温垂向分层影响下，泥沙异重流在水槽中层与表层行进的这种特有现象，实验效果显著，适合推广使用。

4、本发明的模拟实验系统采用膨润土这种泥沙来调配浑水，该泥沙粒径小，粒径均一，中值粒径集中在10~12μm之间，该泥沙随水的跟随性优异，且又显著具有泥沙颗粒的沉降特点，是较优异的室内泥沙异重流试验的泥沙原材料。

5、本发明的模拟实验系统在水槽的进水箱设置可以优化进口段的流场，减少浑水经水泵进入到水槽后对进水段流场的干扰。

6、本发明的模拟实验系统利用浑水箱，可以灵活配置不同水温以及不同含沙量的泥沙浑水，实现不同的来流边界条件，如来流水温与来流含沙量的不同组合。

附图说明

图1本发明温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统整体结构示意图；

图2 本发明温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统俯视结构示意图。

图中，1浑水箱，2水泵，3进水段，4斜坡段，5平坡段，6加热装置，7出口，8水槽，9导管，10-1第一温度探头，10-2第二温度探头，11进水箱，12涡轮流量计，13温度自记仪，14循环水池，15-1第一垂向水温测量位置，15-2第二垂向水温测量位置，16刻度。

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。

本发明温差---泥沙耦合异重流模拟实验系统，其总体结构如图1所示，该实验系统包括浑水箱1，水泵2，加热装置6，出口7，水槽8，导管9，涡轮流量计12、若干温度自记仪13，以及循环水池14；所述水泵2一端通过导管9与浑水箱1连接，水泵2另一端通过导管9与连接在导管9上的涡轮流量计12连接，涡轮流量计12与水槽8连接，涡轮流量计可实时监测进入到浑水箱的浑水流量；所述加热装置6安装于水槽8上方，温度自记仪13放置于水槽8外面；从浑水箱1的水流通过导管9流入水槽8，并通过涡轮流量计12调节进入到水槽8中的水流量大小；所述出口7通过导管9与循环水池14连接。

所述水槽8依次由进水箱11、进水段3、斜坡段4和平坡段5四部分相连而成。所述的进水段3，斜坡段4与平坡段5为主要试验段；为优化进水段3流场，在进水段3前端设置一个进水箱11；为了使进口流场平稳，在斜坡段4前端设置进水段，为了加速形成异重流分层现象，在平坡段5前端设置了斜坡段4；为了能更清楚的观察温差-泥沙异重流分层现象，在斜坡段4后设置了平坡段5；为稳持水槽内水面稳定，在水槽的出口方式为表层溢流。所述水泵2从浑水箱1抽水，水流通过导管9流入水槽8中的进水箱11，再经进水段3，斜坡段4和平坡段5流入水槽8；通过涡轮流量计12可调节进入到水槽8中进水段3的水流量大小，同时涡轮流量计12实时监测进入到浑水箱1的浑水流量。

所述各台温度自记仪13上连接有第一温度探头10-1和第二温度探头10-2，第一温度探头10-1和第二温度探头10-2分别置于水槽8边壁的第一垂向水温测量位置15-1和第二垂向水温测量位置15-2。

本发明温差---泥沙耦合异重流模拟实验系统，其图2的俯视结构图只能看到水槽中依次相连的进水箱11、进水段3、斜坡段4和平坡段5。

实施例：

本实施例所用仪器及设备：

摄像机1台做辅助检测装置，用于监视整个实验过程，ZDR型号温度自记仪13共10台，每台均连接有两个温度探头，即第一温度探头10-1和第二温度探头10-2，共20个温度探头，涡轮流量计12一台，型号为LWGY-DN15，水泵2一台，加热装置6是安装若干灯泡在一块木板上，木板横跨于水槽8上方进行加热，所用灯泡共750W。

根据所使用水泵2的额定流量，实验可调节流量范围为0-1.2 m³/h，也可以更替试验水泵增加试验的可调节流量范围。

采用本发明的温差---泥沙耦合异重流模拟实验系统进行实验，其具体操作过程及实验步骤如下：

1、按图1所示布置连接好各部件，本实施例中试验水槽8中进水箱11长30cm，高30cm，进水段3长30cm，斜坡段4长45cm，坡度45^°，平坡段5长185cm，水温垂向测量位置长120cm，水槽8高55cm，其出口高3cm。试验之前，将各台温度自记仪13的第一温度探头10-1和第二温度探头10-2布置在试验水槽8的第一个垂向水温测量位置15-1和第二个垂向水温测量位置15-2，其中每间隔5cm高程布置一个温度探头。根据本组实验布置了20个温度探头，通过温度探头实时监测水槽8中水体的垂向温度变化。

2、水槽水温分层：水槽内充满13℃的低温水，利用加热灯泡从水槽8表层对水体进行热源照射，照射时间2~3小时后，水槽在垂向上形成上层温度高，下层温度低的水温分层结构。

3、将含沙量为0.5~1.2kg/m³、温度为20℃的浑水以恒定的流量从浑水箱1引入到水槽8中的进水段3，并在水槽8内形成泥沙异重流现象。

4、在水槽8正面放置一台摄像机，利用摄像机来监测泥沙异重流在水温分层水体中的运动情况。通过摄像机的拍摄影片，可以对浑水异重流在分层水体中的前锋厚度、运动速度以及离低点位置等进行分析。

本发明可根据需要，扩大试验水槽尺寸，配置不同功率的水泵，进行多种流量和多种含沙量下温差-泥沙异重流模拟实验的研究。本发明其结构简单，操作使用方便，具有推广应用价值。

Claims (8)

1.一种温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其特征在于包括浑水箱（1），水泵（2），加热装置（6），出口（7），水槽（8），导管（9），涡轮流量计（12）、若干温度自记仪（13）以及循环水池（14）；所述水泵（2）一端通过导管（9）与浑水箱（1）连接，另一端通过导管（9）与连接在导管（9）上的涡轮流量计（12）连接，涡轮流量计（12）与水槽（8）连接；加热装置（6）安装于水槽（8）上方，温度自记仪（13）放置于水槽（8）外面；水泵（2）从浑水箱（1）抽水，水流通过导管（9）流入水槽（8），通过涡轮流量计（12）调节进入到水槽（8）中的水流量大小；所述出口（7）通过导管（9）与循环水池（14）连接。

2.根据权利要求1所述的温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其特征在于所述水槽（8）依次由进水箱（11）、进水段（3）、斜坡段（4）和平坡段（5）四部分相连而成。

3.根据权利要求1或2所述的温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其特征在于所述各温度自记仪（13）上连接有第一温度探头（10-1）和第二温度探头（10-2），第一温度探头（10-1）和第二温度探头（10-2）分别置于水槽（8）边壁第一垂向水温测量位置（15-1）和第二垂向水温测量位置（15-2）。

4.根据权利要求1或2所述的温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其特征在于所述水槽（8）的外壁设置有均匀的刻度16。

5.根据权利要求1或2所述的温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其特征在于所述浑水箱（1）和水槽（8）的顶端均为敞口，并与大气相通。

6.根据权利要求1所述的温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其特征在于所述加热装置（6）采用若干加热灯泡组成。

7.根据权利要求1或3所述的温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其特征在于所述水槽（8）中垂向水温测量位置每间隔5cm高程布置一个温度探头。

8.根据权利要求1所述的温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统，其特征在于为稳持水槽（8）内水面稳定 ，在水槽末端的出口（7）方式为表层溢流。

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