CN103592101A - 一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，室内地平上设置有一水平机座，水平机座上设置有驱动机构，驱动机构上设置有可转动环形水槽，环形水槽内均布有若干剪力环，剪力环连接吊杆旋转系统，吊杆旋转系统连接一龙门架。本发明所述的装置不仅可以用于水流、泥沙动力特性的研究，还可应用于水质、水环境、生态、渔业、船舶、传热等相关试验，且测量的精确性和实验的稳定性好。

Description

一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置

技术领域

本发明属于水利、水运、环境工程机理性研究技术领域，具体的来说涉及细颗粒泥沙物理动力过程及运动特性的桁架式全自动测量及控制环形水槽室内试验装置。

背景技术

粗颗粒泥沙在水中的运动过程较易分辨，无需特定设备即可观测；但对于细颗粒，其在水中的含量会显著改变水体的浑浊度和辨识度，更重要的是，细颗粒运动会显示程度不一的群体性、随机性与环境敏感性，其动力机理与运动过程十分复杂。细颗粒泥沙在水中的运动形式、运动过程及动力特性等是泥沙基础理论体系中一个最基本、最核心的研究对象，它的相关参数是表征泥沙运动特征和地形地貌演变最重要的指标。到目前为止，对于细颗粒泥沙在水中的相关机理、微观动力过程等物理状态的描述仍无统一、适应性广、理论性强的公式和参数。因此，在国内外不同文献上可以见到大量的，以室内试验、现场观测和理论推导等为基础的动力学参数值或经验公式。不同的公式形式差异巨大；再加上泥沙研究学科相关参数的地域性与经验型较强，因此在不同的工程实践中，选择一个合适的泥沙动力学参数是一件非常令人困惑的事情，最恰当的方法是采用一种合适的室内装置，选择合适的试验条件给出相关参数。

长期以来，主要依赖现场观测或直水槽室内试验来研究其相关基本理论，但是由于细颗粒泥沙颗粒小、沉降过程慢，在试验室内进行水流泥沙试验时，完成全部起悬沉积过程的时间较长，因此就需要很长的水槽，普通的直槽通常难以满足距离要求，而且用直槽研究细颗粒泥沙会带来水泵搅动破坏絮团和水流结构的问题。

环形水槽是近几十年来国内外公认为最合适的细颗粒泥沙动力试验设备，环形水槽从理论上来讲实际上是模拟了无限长的长直水槽，其主要优势在于：（1）不需回水装置和消能设施，不破坏泥沙的絮凝状态，即泥沙能在与现场条件相似的状态下沉积、起动和输移；（2）操作方便，试验水深、含沙浓度、水流速度可方便地进行调节；（3）有机玻璃槽体可改造性强，可适应不同类型的各种试验条件和要求。

对于利用通过环形水槽来研究泥沙微观动力学特性，在国内外已经应用了多年。综合文献来看，相关参数均具有特定的适用条件和适用范围，不能简单的定性其正确与否，因为研究者的研究目的、考虑因素的差异，各种结论对不同情况均有很强的适用性。因此，不能不加分析直接运用到特定的工程实践中去，尤其在那些复杂环境的水域。

此外，以往环形水槽试验装置的设计在水流流速测量、含沙量测量、主槽体的控制系统、取水样设备等方面还有诸多问题或者不足之处。现在测控仪器飞速发展，测量及控制的可靠性、精度和测量范围逐步提高，因此十分有必要利用最新的测控设备来重新设计出一个全自动、高精度的环形水槽试验装置系统，为细颗粒泥沙动力过程及其相关机理的研究提供帮助。

在几十年环形水槽的建造和运行中，三个比较核心的环形水槽制作存在的难点如下。

（1）如何通过环形水槽整体制作误差的控制，和最优转速比的选择来减少二次流；

（2）在尽量减少干扰情况下，如何搭载先进的三维高频测流设备与声学光学测沙设备，提高测量精度；

（3）如何保证控制的精确性、稳定性和试验的可重复性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的问题，提供一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，该装置的水槽不仅可以用于水流、泥沙动力特性的研究，还可应用于水质、水环境、生态、渔业、船舶、传热等相关试验。

为了解决上述问题本发明的技术方案是这样的：

一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，室内地平上设置有一水平机座，水平机座上设置有驱动机构，驱动机构上设置有可转动环形水槽，环形水槽内均布有若干剪力环，剪力环连接吊杆旋转系统，吊杆旋转系统连接一龙门架。

所述龙门架的跨度为3.900米，龙门架的高度为2.265米。

所述剪力环为12个。

所述剪力环为高强度亚克力浇筑透明板一次性无缝热压整体成型制成。

所述水平机座上具有一中心轴，中心轴穿过环形水槽连接龙门架的上端。

所述旋转系统，包括旋转架，旋转架围绕中心轴布置，旋转架上部设置有旋转驱动机构和升降驱动机构，旋转架的下部末端连接剪力环。

所述旋转架上设置有升降传感器。

所述环形水槽外半径为1.095m，内半径为0.920m，水槽宽度为0.160m，壁厚0.015m，水槽最大高度为0.5m，水槽的旋转半径R=1.000m。

所述环形水槽为高强度亚克力浇筑透明板一次性无缝热压整体成型制成。

所述驱动环形水槽的驱动机构和旋转架上部设置的旋转驱动机构为有刷直流伺服电机，所述有刷直流伺服电机为测速电机，有刷直流伺服电机上连接有伺服调速器。

所述实验装置连接有一基于输出功率控制的环形水槽控制系统。

所述环形水槽内设置有：声学点式流速仪和光学浊度仪，两个仪器利用串口转无线方式连接一信息采集系统。

有益效果，本发明通过环形水槽整体制作误差的控制，和最优转速比的选择来减少二次流；

本发明在尽量减少干扰情况下，搭载了先进的三维高频测流设备与声学光学测沙设备，提高测量精度；

本发明保证控制的精确性、稳定性和试验的可重复性。

尤其在主槽体无缝成型、桁架结构设计、动力控制系统软硬件设计、测控软硬件系统等方面具有很好的创新性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置的整体结构示意图。

图1a为图1的侧视图。

图2a为环形槽转动状态1示意图。

图2b为环形槽转动状态2示意图。

图2c为环形槽转动状态3示意图。

图3a为转动状态1环形槽垂直于水流方向的剖面二次流示意图。

图3b为转动状态2环形槽垂直于水流方向的剖面二次流示意图。

图3c为转动状态3环形槽垂直于水流方向的剖面二次流示意图。

图4为环形槽平面状态结构示意图。

图5为龙门架结构示意图。

图6为剪力环平面状态结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

环形水槽的核心主要由环形槽、剪力环组成（可见附图1），剪力环和环形槽的转动是水流运动的主要动力来源，环形水槽能产生准均匀流的基本原理为：

（1）当环形槽转动时，由相对运动原理，水槽内便形成与水槽运转方向相反的水流，槽内主流在内侧，剖面环流为逆时针。如图2a；

（2）当剪力环嵌入水槽并和槽内水面接触运转时，水流方向与上盘相同，主流在外侧，剖面环流为顺时针。如图2b；

（3）上下同时反向、并以一定合适的比例旋转时，主流在中间位置，剖面环流明显减弱，水流方向与上盘相同。如图2c。

图3a、图3b、图3c为垂直于水流方向的剖面二次流示意图；图3a、图3b、图3c依次为单剪力环转、单环形槽转、上下同时反向、并以一定合适的比例（最优转速比）旋转的示意图，分别和图2a、图2b、图2c对应。

经过专门的数模研究及对前人水槽结果的分析，最佳转速比（剪力环与环形槽旋转角速度的比例）的判别标准为：

（1）主流既不靠近内侧，也不靠近外侧，在居中位置；

（2）二次流动能比在一个较小值范围内；

（3）同一深度流速，不同径向位置，切向流速差异较小。

再次参看图1，本实施例中一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，室内地平上设置有一水平机座1，水平机座1上设置有驱动机构2，驱动机构2上设置有可转动环形水槽3，环形水槽3内均布有若干剪力环4，剪力环4连接吊杆旋转系统5，吊杆旋转系统5连接一龙门架6。

根据平面环流的产生原理，要想减少二次流的唯一办法是充分加大环形水槽的外径、缩小水槽的宽度，这样才可进一步压缩环形槽内的横向流。此外还需要水槽内壁足够平顺光滑、剪力环与环形水槽的间距足够小、剪力环与环形槽的圆度整体性要好。

首先，在主槽体相关尺寸的选择上，我们是利用三维数学模型计算二次流动能比、最大可达流速、最优转速比等基础上以及适当考虑未来的发展方向。参看图4，选择环形水槽外半径R1为1.095m，内半径R2为0.920m，水槽宽度D为0.160m，壁厚d为0.015m，水槽最大高度H为0.5m，水槽的旋转半径R=1.000m。

此外，在主槽体筒体及剪力环的设计中，均采用高强度亚克力浇筑透明板，一次性无缝热压整体成型，没有任何拼接缝隙，槽体的完整性和圆度控制较好

参看图5，为保证整个系统运行时结构整体稳定，且后期易于移动，本环形水槽的龙门架的采用整体桁架结构。本结构水平、竖直方向均能调节，基座与地面不固定，保证运行时不会产生振动及位移。

水平机座1和龙门架6可同步移动。

所述龙门架的跨度为3.900米，龙门架的高度为2.265米。

本环形水槽的动力部分采用有刷直流伺服电机（带测速电机）+伺服调速器的组合方式，这样能保证环形槽及剪力环转速的闭环控制，运行时稳定性高。

参看图6，所述剪力4环为12个。所述剪力环为高强度亚克力浇筑透明板一次性无缝热压整体成型制成。

再次参看图1，所述水平机座1上具有一中心轴12，中心轴12穿过环形水槽1连接龙门架6的上端。

所述吊杆旋转系统5，包括旋转架51，旋转架51围绕中心轴12布置，旋转架51上部设置有旋转驱动机构52和升降驱动机构53，旋转架的下部末端连接剪力环4。所述旋转架上设置有升降传感器。

此外，专门针对环形水槽的控制特点，开发了一套基于输出功率控制的环形水槽控制器和基于Labview的控制器软件，这样就实现了水槽的全自动高精度的控制。

而以往环形水槽在动力及控制系统上存在很大的不足，主要表现在，转速非闭环控制、运行的不稳定、控制系统采用人工控制，精度不够高。

本环形水槽的水沙测量部分采用先进的声学点式流速仪（ADV）以及光学浊度仪（OBS300），此外两个仪器均利用串口转无线技术实现无线实时控制，再加上编制的专门的基于Matlab的OBS无线实时传输系统软件，这样就实现了水沙基本信息方便、实时的传输。

而以往环形水槽在流速及含沙量的测量上一直存在问题，尤其是当浑水测量时，随着含沙量的增加，传统的悬浆式流速和虹吸式取样器一般都不能正常工作，此外以往的含沙量测量数据都是后处理的，试验时无法获得实时信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明专利要求保护的范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (12)

1.一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，室内地平上设置有一水平机座，水平机座上设置有驱动机构，驱动机构上设置有可转动环形水槽，环形水槽内均布有若干剪力环，剪力环连接吊杆旋转系统，吊杆旋转系统连接一龙门架。

2.根据权利要求1所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述龙门架的跨度为3.900米，龙门架的高度为2.265米。

3.根据权利要求1所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述剪力环为12个。

4.根据权利要求3所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述剪力环为高强度亚克力浇筑透明板一次性无缝热压整体成型制成。

5.根据权利要求1所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述水平机座上具有一中心轴，中心轴穿过环形水槽连接龙门架的上端。

6.根据权利要求1所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述吊杆旋转系统，包括旋转架，旋转架围绕中心轴布置，旋转架上部设置有旋转驱动机构和升降驱动机构，旋转架的下部末端连接剪力环。

7.根据权利要求6所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述旋转架上设置有升降传感器。

8.根据权利要求1所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述环形水槽外半径为1.095m，内半径为0.920m，水槽宽度为0.160m，壁厚0.015m，水槽最大高度为0.5m，水槽的旋转半径R=1.000m。

9.根据权利要求8所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述环形水槽为高强度亚克力浇筑透明板一次性无缝热压整体成型制成。

10.根据权利要求1或6所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述驱动机构为有刷直流伺服电机，所述有刷直流伺服电机为测速电机，有刷直流伺服电机上连接有伺服调速器。

11.根据权利要求1所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述实验装置还连接有一基于输出功率控制的环形水槽控制系统。

12.根据权利要求1所述的一种桁架式全自动测量及控制环形水槽的试验装置，其特征是，所述环形水槽内设置有：声学点式流速仪和光学浊度仪，两个仪器利用串口转无线方式连接一信息采集系统。

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