CN103698103B - 一种河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，包括缩放系统、循环系统和测控系统。缩放系统包括侧墙、宽度调节栅、夹板架、轨道、双向伸缩杆和双槽齿轮盒等；循环系统包括集水槽、回水管道、水泵、上水管、水箱和稳流罩；测控系统包括三角量水堰、ADV三维流速仪、高频数码摄像机、水质传感器和数据处理器。本发明通过侧墙分形、重组实现模型三维尺度任意缩放，利用侧墙弯曲、底床变化实现河道形态、边界仿真，设计巧妙，具有改造快、效率高、缩尺细观效应明显等优点。
Description
技术领域
本发明属于环境水力学试验技术领域，具体涉及一种河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置。
背景技术
河流是一个完整的连续体，上下游、左右岸构成一个完整的体系，高度连通性的河流对物质和能量的循环流动以及水环境的生态平衡等非常重要。兴建水利工程能够满足人类对供水、防洪、发电、灌溉、旅游等方面的需要，但在促进河流发挥服务功能的同时，也产生了一定的负面效应，造成河流水环境的各种响应，影响着河流生态系统的健康。如修建大坝，会在坝上形成一个库区，水体由动水变成静水，水深增大使水体自净能力减弱、水温结构发生变化，坝下则变成一个受大坝调度变化的人工河流，一旦超出了河流系统的承受能力，整个河流生态系统将失调或退化，河流水环境将遭到破坏，使得河流失去本来面目。高坝泄流时，常会导致下游水体中总溶解气体过饱和，使得鱼类患气泡病，严重时可导致鱼类死亡。高坝修建对鱼类的危害程度远远超过环境污染和捕捞，不仅由于阻隔鱼类的徊游通道直接影响鱼类生存，而且改变生态环境间接影响鱼类生存。
水利工程影响下的河流水环境变化需要在工程建设前期进行论证，河流水环境物理模型试验是研究河流水动力和水环境的重要手段。然而，模型经常受到场地空间、供水能力、制作条件以及建造和运转费用等多方面因素的限制，往往需要按照一定比例缩小。河流水环境物理模型是建立在水流相似、水质相似和边界条件相似原理的基础上，在实际建立模型过程中，模型的平面比尺不能选得过小(模型不能过大)，而垂直比尺不能选得过大(水深不能过小)，致使模型试验中出现若干水流现象、环境要素的缩尺、变态问题。
缩尺效应是影响河流水环境物理模型试验效果最重要的因素之一。研究缩尺效应主要是根据原型观测资料与模型试验成果进行对比分析，对于缺乏原型观测资料，或者难以获得原型观测参数的情况，利用系列模型进行试验是主要的研究手段。目前，河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置缺少，且传统模型存在较大的不足与缺陷:
(1)模型材料为有机玻璃或混凝土。有机玻璃或混凝土材料决定了系列模型过程中，必须重复建设，工程量大、周期长，浪费大量财力和人力。有机玻璃或混凝土的糙率也难以调整，影响试验结果的精度。
(2)模型结构不易调节、比例难以缩放。传统模型固定的整体结构决定了模型的宽度、高度和底形无法变化，模型的垂直比尺和水平比尺难以调整。
因此，研发具有尺度缩放自由的试验装置及相应技术方案，对研究河流水环境物理模型试验过程中缩尺效应产生的影响具有重要意义。
发明内容
发明目的：为了克服现有河流水环境物理模型缩尺效应对试验的不利影响，本发明提供一种河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，以实现河流水环境物理模型比例缩放自由、壁面糙率调整方便、河床底形模仿逼真、环境因子监测便捷等多重目的，用于揭示缩尺效应对河流水环境物理模型试验的细观影响机理，解决现有试验模型建设成本较高、周期长、工程量大和缩尺效应难以研究等问题。
技术内容：为实现上述技术目的，本发明提出一种河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，包括缩放系统、循环系统和测控系统：
所述缩放系统包括第一侧墙、第二侧墙、第三侧墙、第四侧墙、宽度调节栅、横向轨道、双向伸缩杆、纵向轨道、滑杆和帆布，其中，所述的第二侧墙、第三侧墙和第四侧墙分别由若干侧墙板组合而成；所述的宽度调节栅设置于第一侧墙和第二侧墙上，用于观测模型宽度变化；所述的横向轨道设置于模型的底部，与水流方向垂直，镶嵌并固定在地面上；所述的双向伸缩杆包括两根方形杆，每根方形杆一端固定于第三侧墙或第四侧墙下端，另一端设有齿条并插入双槽齿轮盒中，并与双槽齿轮盒中的齿轮互相啮合，所述第三侧墙和第四侧墙在所述双向伸缩杆的作用下沿着横向轨道移动；所述的纵向轨道设置于第三侧墙和第四侧墙的下端靠近地面的位置，与水流方向一致；所述滑杆设置于第一侧墙和第二侧墙的下端，所述第一侧墙和第二侧墙通过所述滑杆在纵向轨道上移动；所述帆布铺设于四个侧墙内壁和模型的底部，确保模型不漏水，所述的帆布具有不同的尺寸和不同等级的糙率，方便用于不同比尺模型内壁和底部铺盖，模拟真实河道或者库区岸坡的糙率，减小糙率比对试验精度的影响，所述的侧墙内壁和模型底部与帆布之间可以根据实际河岸、河床的形态建造临时性泥土质岛屿、浅滩以及其他河床底形，以更精确地保证模型和原型的边界条件相似；所述的第三侧墙和第四侧墙均可折弯以精确模仿实际河道或库区的岸坡形态，且长度和高度可以调节，具体是通过不同规格的侧墙板、直线型或弯曲型连接件和插销组合而实现，折弯段采用长度较小的侧墙板和弯曲型连接件。
所述的循环系统包括稳流罩、水箱、上水管、水泵、回水管道和集水槽，其中，所述稳流罩和水箱固定于所述第二侧墙最上面的侧墙板上；所述上水管固定于所述第二侧墙上，且所述上水管的一端与所述水箱相连通，另一端延伸至第二侧墙底部并与所述水泵连接；所述回水管道设置于模型的底部，所述回水管道一端与水泵连接，另一端连接到集水槽；
所述的测控系统包括ADV三维流速仪、三角量水堰、高频数码摄像机、水质传感器、数据传输线和数据处理器，其中，所述的ADV三维流速仪通过支撑杆固定座固定在设置于试验过程中水中建筑物的正上方的支撑杆上；所述三角量水堰位于所述集水槽的侧上方，通过翼墙与第三侧墙、第四侧墙相连；所述高频数码摄像机设置于第一侧墙的内部，用于记录水面下水工建筑物附近的水动力现象；所述水质传感器设置于第一侧墙附近的水工建筑物上游或下游位置，通过数据传输线与数据处理器连接，优选地，所述水质传感器采用美国IN-SITU的在线多合一水质传感器AQUATROLL400，可测定PH、ORP、荧光法溶解氧、温度等多个参数。
其中，所述的缩放系统还包括固定装置，所述固定装置包括夹板架和支撑三角器，其中，所述夹板架横跨在第三侧墙和第四侧墙的上方，用于固定第三侧墙和第四侧墙；所述的支撑三角器分别分布在第一侧墙、第二侧墙、第三侧墙和第四侧墙下端的两侧。
所述的支撑三角器下端设有单向扩展支撑底座和弹簧，所述支撑三角器通过长钉锚固在试验地面上，所述支撑三角器顶端设有锁件，打开的支撑三角器用长钉固定在试验场地上，以确保最下端的侧墙稳定、竖立，在竖直方向上，侧墙依靠直线型连接件、插销和上端夹板架保持结构稳定。
所述的夹板架两端分别装有单向夹板和双向夹板，所述双向夹板可滑动地设置在夹板架上，并且可在垂直于夹板架的面上旋转-5°～5°，所述双向夹板顶部闭合，通过直角架、卡槽和螺栓固定在夹板架上；所述单向夹板通过直角架固定在夹板架上。
所述的侧墙板由木质材料制作，四周为铁边，边上设有钢制插孔、横插槽和竖插槽。
所述的侧墙板通过连接件和插销相互连接，其中，所述连接件由钢质材料制作，包括直线型和弯曲型，所述直线型用于模型不需要弯曲或者模型垂直增加高度时连接不同侧墙板的横插槽；所述弯曲型用于模型需要弯折时连接不同侧墙板的竖插槽；所述的插销用于侧墙垂直增加高度时固定不同侧墙板。
优选地，所述上水管为塑料软管。
优选地，所述第一侧墙由透明的亚克力材料制作而成。
所述的三角量水堰为90°的三角量水堰。
上述河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置的组装方法，包括如下步骤：
(1)根据模型的最大尺寸，修建三角量水堰、集水槽与回水管道，确定侧墙板的数量和规格、纵向轨道和横向轨道的长度、宽度调节栅的栅数；
(2)将横向轨道镶嵌并固定在地面上，刚好出露地面为宜，将纵向轨道卡入横向轨道，根据需要可以采用多条横向轨道，然后，沿着轨道将最下端的侧墙板、第一侧墙和第二侧墙用支撑三角器固定；
(3)在水平方向根据侧墙是否需要折弯，分别选择弯曲型和直线型连接件，折弯段采用长度较小的侧墙板和弯曲型连接件，将弯曲型连接件两端插入相邻墙板的插孔中连接相邻侧墙板；在竖直方向用直线型连接件插入插孔中，再将插销插入横插槽中连接相邻侧墙板；用夹板架固定第三侧墙和第四侧墙，在侧墙板安装完毕，根据模型的实际需要确定夹板架的数量；
(4)第三侧墙、第四侧墙和三角量水堰之间用翼墙连接，模型缩尺变化时，只需要调节翼墙即可；
(5)安装双向伸缩杆，将有齿条的一端插入双槽齿轮盒中，通过齿条与齿轮互相啮合，将另一端连接在第三侧墙和第四侧墙下端；
(6)模型组装完毕后，在模型的内壁和底部建造临时性泥土质岛屿、浅滩以及其他河床底形，接着铺盖帆布，然后，安装水箱、稳流罩、水泵和上水管，完成水循环系统的组装；最后，安装ADV三维流速仪、高频数码摄像机、数据传输线、数据处理器和水质传感器组成测控系统。
上述试验装置的调节过程如下：
(1)在研究缩尺效应过程中，调节模型宽度时，先将支撑三角器的长钉拔出，松开双向夹板上的螺栓，再将第一侧墙和第二侧墙向内水平放置，在人工协助下，用摇把转动齿轮驱动双向伸缩杆，使第三侧墙和第四侧墙在横线轨道上移动，通过设在第一侧墙、第二侧墙上的宽度调节栅观测模型宽度变化，当达到试验横向宽度要求后，将第一侧墙和第二侧墙竖立，用夹板架固定第三侧墙和第四侧墙。
(2)在调节纵向尺度时，主要依靠第二侧墙的滑杆在纵向轨道的移动来实现，为方便操作，建议在第二侧墙竖立前完成纵向尺度的调节；第一侧墙可以起到纵向微调节作用。
(3)在调节模型高度时，利用插孔、连接件和插销安装或拆卸侧墙板，完成垂向不同水深系列比例试验，在从大比尺转向小比尺试验时，模型高度也可以不降低，等试验结束后再拆卸侧墙板。
有益效果：本发明的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，利用侧墙板、横向轨道、纵向轨道、滑杆、双向伸缩杆和宽度调节栅等实现了模型三维尺度自由缩放，解决了传统的河流水环境物理模型比尺不易调节、重复建设费用高、缩尺效应难以细观研究等问题；侧墙板的特殊结构和连接、组合方式使得模型改造快、效率高、建设工程量小；折弯的第三侧墙和第四侧墙设计使得模型更加灵活易用，能够实现模仿实际河道或库区岸坡复杂边界的需求；采用ADV三维流速仪、高频数码摄像机和水质传感器可以研究不同水流动力条件对水环境的影响规律，通过水质传感器测量的水质数据可以分析水利工程影响下的水质变化和缩尺效应对水质指标的敏感性；模型内壁和底部采用不同等级糙率的帆布铺盖，可以减小糙率比对试验精度的影响，同时，利用帆布的柔韧性，在帆布下面可以建造临时性泥土质岛屿、浅滩以及其他河床底形，更精确地保证模型和原型的边界条件相似，使试验结果与原型测量值更加吻合。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的侧墙板、连接件和插销结构示意图。
图3为本发明的支撑三角器结构示意图。
图4为第二侧墙和第一侧墙平面示意图。
图5为单向夹板和双向夹板的平面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1-5所示，本发明的一种河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，包括第一侧墙31、第二侧墙15、第三侧墙1、第四侧墙17、支撑杆2、双向夹板3、直角架4、卡槽5、螺栓6、夹板架7、单向夹板8、ADV三维流速仪9、插孔10、横插槽11、竖插槽12、稳流罩13、水箱14、宽度调节栅16、滑杆18、纵向轨道19、支撑三角器20、帆布21、三角量水堰22、集水槽23、回水管道24、支撑杆固定座25、翼墙26、数据传输线27、数据处理器28、横向轨道29、水质传感器30、高频数码摄像机32、双向伸缩杆33、齿轮34、双槽齿轮盒35、水泵36、上水管37、侧墙板38、连接件39、插销40、弹簧41、长钉42和锁件43。
其中，第一侧墙31、第二侧墙15、第三侧墙1、第四侧墙17、夹板架7、宽度调节栅16、纵向轨道19、横向轨道29、支撑三角器20、双向伸缩杆33以及帆布21构成缩放系统，第三侧墙1、第二侧墙15、第四侧墙17由若干侧墙板38、连接件39和插销40组合而成，侧墙板38由木质材料制作，四周为铁边，边上设有钢制插孔10、横插槽11和竖插槽12；连接件39由钢质材料制作，包括直线型和弯曲型，其中，直线型用于模型不需要弯曲或者试验装置垂直增加高度是连接不同侧墙板38的横插槽11，弯曲型用于模型需要弯折时连接不同侧墙板38的竖插槽12；第一侧墙31由透明的亚克力材料制作而成，第一侧墙31和第二侧墙15上设置宽度调节栅16；夹板架7横跨在第三侧墙1和第四侧墙17的上方，用于固定第三侧墙1和第四侧墙17，夹板架7两端分别装有单向夹板8和双向夹板3，双向夹板3可滑动地设置在夹板架7上，并且可以在垂直于夹板架7的面上旋转-5°～5°，双向夹板3顶部闭合，通过直角架4、卡槽5和螺栓6固定在夹板架7上；所述单向夹板8通过直角架4固定在夹板架7上；纵向轨道19设置于第三侧墙1和第四侧墙17的下端靠近地面的位置，与水流方向一致；横向轨道29位于模型的下面，与水流方向垂直，镶嵌并固定在地面上；第一侧墙31和第二侧墙15下端设有滑杆18，第一侧墙31和第二侧墙15通过滑杆18在纵向轨道19上移动；支撑三角器20分别分布在第一侧墙31、第二侧墙15、第三侧墙1、第四侧墙17下端的两侧，支撑三角器20下端设有单向扩展支撑底座和弹簧41，支撑三角器20通过长钉42锚固在试验地面上，支撑三角器20顶端设有锁件(43)；双向伸缩杆33由两根方形杆组成，每根方形杆一端固定于第三侧墙1或第四侧墙17下端，另一端设有齿条并插入双槽齿轮盒35中，与齿轮34通过齿条互相啮合，第三侧墙1和第四侧墙17下端与双向伸缩杆33连接，第三侧墙1和第四侧墙17在双向伸缩杆33的作用下沿着横向轨道29移动；帆布21铺设于四个侧墙内壁和模型的底部。模型的第三侧墙1和第四侧墙17均可折弯，通过弯曲型连接件39连接相邻的侧墙板38以满足侧墙弯曲的需要，方便精确模仿实际河道或库区岸坡的不同形态。在第三侧墙1或第四侧墙17折弯处均在下端增加支撑三角器20、上端增加夹板架7加以固定。
稳流罩13、水箱14、上水管37、水泵36、回水管道24和集水槽23构成循环系统。其中，稳流罩13和水箱14固定于第二侧墙15最上面的侧墙板上；上水管37为塑料软管，固定于第二侧墙15上，且上水管37的一端与水箱14相连通，另一端延伸至第二侧墙15底部并与水泵36连接；回水管道24设置于模型的底部，回水管道24一端与水泵36连接，另一端连接到集水槽23。
ADV三维流速仪9、三角量水堰22、高频数码摄像机32、水质传感器30、数据传输线27和数据处理器28构成测控系统。其中，ADV三维流速仪9通过支撑杆固定座25固定在设置于试验过程中水中建筑物的正上方的支撑杆2上；三角量水堰22为90°的三角量水堰，位于集水槽23的侧上方，通过翼墙26与第三侧墙1、第四侧墙17相连；高频数码摄像机32设置于第一侧墙31的内部，用于记录水面下水工建筑物附近的水动力现象；水质传感器30设置于第一侧墙31附近的水工建筑物上游或下游位置，通过数据传输线27与数据处理器28连接。该水质传感器采用IN-SITU的在线多合一水质传感器AQUATROLL400，可测定PH、ORP、荧光法溶解氧、温度等多个参数。
其组装过程如下：
(1)根据模型最大尺寸，修建三角量水堰22、集水槽23与回水管道24，确定侧墙板38的数量和规格、纵向轨道19和横向轨道29的长度、宽度调节栅16的栅数；
(2)将横向轨道29镶嵌并固定在地面上，刚好出露地面为宜，纵向轨道19卡入横向轨道29，根据需要可以采用多条横向轨道29；然后，沿着轨道将最下端的侧墙板38、第一侧墙31和第二侧墙15用支撑三角器20固定；
(3)在水平方向根据侧墙是否需要折弯，分别选择弯曲型和直线型连接件39，折弯段采用长度较小的侧墙板38和弯曲型连接件39，将弯曲型连接件39两端插入相邻墙板38的插孔10中连接相邻侧墙板38；在竖直方向用直线型连接件39插入插孔10中，再将插销40插入横插槽11中连接相邻侧墙板38；
在侧墙板38的安装过程中，为保证装置结构稳定，需要临时采用夹板架7固定第三侧墙1和第四侧墙17。在侧墙板38安装完毕、帆布21铺设好后，夹板架7始终固定在第三侧墙1和第四侧墙17上端，夹板架7的数量可以根据模型的实际需要确定。
(4)第三侧墙1、第四侧墙17和三角量水堰22之间用翼墙26连接，模型缩尺变化时，只需要调节翼墙即可；
(5)安装双向伸缩杆33，将有齿条的一端插入双槽齿轮盒35中，通过齿条与齿轮34互相啮合，将另一端连接在第三侧墙1和第四侧墙17下端；
(6)模型组装完毕后，在模型的内壁和底部建造临时性泥土质岛屿、浅滩以及其他河床底形，接着铺盖帆布21，然后，安装水箱14、稳流罩13、水泵36和上水管37，完成水循环系统的组装。最后，安装ADV三维流速仪9、高频数码摄像机32、数据传输线27、数据处理器28和水质传感器30组成测控系统。
本发明试验装置的调节过程如下：
(1)在研究缩尺效应过程中，调节模型宽度时，先将支撑三角器20的长钉42拔出，松开双向夹板3上的螺栓6，再将第一侧墙31和第二侧墙15向内水平放置，在人工协助下，用摇把转动齿轮34驱动双向伸缩杆33，使第三侧墙1和第四侧墙17在横线轨道上移动，通过设在第一侧墙31、第二侧墙15上的宽度调节栅16观测模型宽度变化，当达到试验横向宽度要求后，将第一侧墙31和第二侧墙15竖立，用夹板架7固定第三侧墙1和第四侧墙17。
(2)在调节纵向尺度时，主要依靠第二侧墙15的滑杆18在纵向轨道19的移动来实现，为方便操作，建议在第二侧墙15竖立前完成纵向尺度的调节；第一侧墙31可以起到纵向微调节作用。
(3)在调节模型高度时，利用插孔10、连接件39和插销40安装或拆卸侧墙板38，完成垂向不同水深系列比例试验，在从大比尺向小比尺试验时，模型高度也可以不降低，等试验结束后再拆卸侧墙板38。
本发明的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置利用侧墙板、横向轨道、纵向轨道、滑杆、双向伸缩杆和宽度调节栅等实现了模型三维尺度自由缩放，解决了传统的河流水环境物理模型比尺不易调节、重复建设费用高、缩尺效应难以细观研究等问题；侧墙板的特殊结构和连接、组合方式使得模型改造快、效率高、建设工程量小；折弯的第三侧墙和第四侧墙设计使得模型更加灵活易用，能够实现模仿实际河道或库区岸坡复杂边界的需求；采用ADV三维流速仪、高频数码摄像机和水质传感器可以研究不同水流动力条件对水环境的影响规律，通过水质传感器测量的水质数据可以分析水利工程影响下的水质变化和缩尺效应对水质指标的敏感性；模型内壁和底部采用不同等级糙率的帆布铺盖，可以减小糙率比对试验精度的影响，同时，利用帆布的柔韧性，在帆布下面可以建造临时性泥土质岛屿、浅滩以及其他河床底形，更精确地保证模型和原型的边界条件相似，使试验结果与原型测量值更加吻合。
本发明主要实现河流水环境物理模型缩尺效应试验研究，揭示缩尺效应对河流水环境试验的细观影响机理，特别是模型缩尺效应对水利工程作用下的相关水环境变化测定的影响规律，如水利工程对坝下水域溶解气体过饱和在模型缩尺效应下响应，在不同运行工况和泄洪方式下，坝前水体水质的变化、温度分层、污染物质的扩散输移特性变化规律在模型缩尺效应下响应等。本发明中的水质传感器采用IN-SITU的在线多合一水质传感器AQUATROLL400，可测定PH、ORP、荧光法溶解氧、温度等多个参数，通过水工建筑物前、后水质传感器测量的水质数据，可以分析河流的水质变化和缩尺效应对水质指标的敏感性影响。通过高频数码摄像机记录试验过程中水工建筑物附近的水动力现象，从水流动力特性变化分析模型缩尺效应对水环境变化的影响。
试验过程中的水工建筑物可以是不同类型坝体、堰或水闸等，对其进行重要的水力特性问题的预演和试验研究，如原型和模型水流运动过程中，由于缩尺效应的存在，对流量系数、阻力系数、压力系数、脉动压力系数、水流掺气、水雾和振动等问题的影响及其规律。
Claims (9)
1.一种河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，包括缩放系统、循环系统和测控系统：
所述缩放系统包括第一侧墙(31)、第二侧墙(15)、第三侧墙(1)、第四侧墙(17)、宽度调节栅(16)、横向轨道(29)、双向伸缩杆(33)、纵向轨道(19)、滑杆(18)和帆布(21)，其中，所述的第二侧墙(15)、第三侧墙(1)和第四侧墙(17)分别由若干侧墙板(38)组合而成；所述的宽度调节栅(16)设置于第一侧墙(31)和第二侧墙(15)上，用于观测模型宽度变化；所述的横向轨道(29)设置于模型的底部，与水流方向垂直，镶嵌并固定在地面上；所述的双向伸缩杆(33)包括两根方形杆，每根方形杆一端固定于第三侧墙(1)或第四侧墙(17)下端，另一端设有齿条并插入双槽齿轮盒(35)中，并与双槽齿轮盒(35)中的齿轮(34)互相啮合，所述第三侧墙(1)和第四侧墙(17)在所述双向伸缩杆(33)的作用下沿着横向轨道(29)移动；所述的纵向轨道(19)设置于第三侧墙(1)和第四侧墙(17)的下端靠近地面的位置，与水流方向一致；所述滑杆(18)设置于第一侧墙(31)和第二侧墙(15)的下端，所述第一侧墙(31)和第二侧墙(15)通过所述滑杆(18)在纵向轨道(19)上移动；所述帆布(21)铺设于四个侧墙内壁和模型的底部；
所述的循环系统包括稳流罩(13)、水箱(14)、上水管(37)、水泵(36)、回水管道(24)和集水槽(23)，其中，所述稳流罩(13)和水箱(14)固定于所述第二侧墙(15)最上面的侧墙板(38)上；所述上水管(37)固定于所述第二侧墙(15)上，且所述上水管(37)的一端与所述水箱(14)相连通，另一端延伸至第二侧墙(15)底部并与所述水泵(36)连接；所述回水管道(24)设置于模型的底部，所述回水管道(24)一端与水泵(36)连接，另一端连接到集水槽(23)；
所述的测控系统包括ADV三维流速仪(9)、三角量水堰(22)、高频数码摄像机(32)、水质传感器(30)、数据传输线(27)和数据处理器(28)，其中，所述的ADV三维流速仪(9)通过支撑杆固定座(25)固定在设置于试验过程中水中建筑物的正上方的支撑杆(2)上；所述三角量水堰(22)位于所述集水槽(23)的侧上方，通过翼墙(26)与第三侧墙(1)、第四侧墙(17)相连；所述高频数码摄像机(32)设置于第一侧墙(31)的内部，用于记录水面下水工建筑物附近的水动力现象；所述水质传感器(30)设置于第一侧墙(31)附近的水工建筑物上游或下游位置，通过数据传输线(27)与数据处理器(28)连接。
2.根据权利要求1所述的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，所述缩放系统还包括固定装置，所述固定装置包括夹板架(7)和支撑三角器(20)，其中，所述夹板架(7)横跨在第三侧墙(1)和第四侧墙(17)的上方，用于固定第三侧墙(1)和第四侧墙(17)；所述的支撑三角器(20)分别分布在第一侧墙(31)、第二侧墙(15)、第三侧墙(1)和第四侧墙(17)下端的两侧。
3.根据权利要求2所述的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，所述的支撑三角器(20)下端设有单向扩展支撑底座和弹簧(41)，所述支撑三角器(20)通过长钉(42)锚固在试验地面上，所述支撑三角器(20)顶端设有锁件(43)。
4.根据权利要求2所述的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，所述的夹板架(7)两端分别装有单向夹板(8)和双向夹板(3)，所述双向夹板(3)可滑动地设置在夹板架(7)上，并且可在垂直于夹板架(7)的面上旋转-5°～5°，所述双向夹板(3)顶部闭合，通过直角架(4)、卡槽(5)和螺栓(6)固定在夹板架(7)上；所述单向夹板(8)通过直角架(4)固定在夹板架(7)上。
5.根据权利要求1所述的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，所述的侧墙板(38)由木质材料制作，四周为铁边，边上设有钢制插孔(10)、横插槽(11)和竖插槽(12)。
6.根据权利要求5所述的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，所述的侧墙板(38)通过连接件(39)和插销(40)相互连接，其中，所述连接件(39)由钢质材料制作，包括直线型和弯曲型，所述直线型用于模型不需要弯曲或者模型垂直增加高度时连接不同侧墙板(38)的横插槽(11)；所述弯曲型用于模型需要弯折时连接不同侧墙板(38)的竖插槽(12)；所述的插销(40)用于侧墙垂直增加高度时固定不同侧墙板(38)。
7.根据权利要求1所述的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，所述的上水管(37)为塑料软管。
8.根据权利要求1所述的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，所述的第一侧墙(31)由透明的亚克力材料制作而成。
9.根据权利要求1所述的河流水环境物理模型缩尺效应研究试验装置，其特征在于，所述的三角量水堰(22)为90°的三角量水堰。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1961802A1 (de) * | 1968-12-11 | 1970-06-25 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Pruefbecken fuer marine Bauwerke |
| KR101183238B1 (ko) * | 2010-06-01 | 2012-09-14 | 한국원자력연구원 | 소규모 순환형 조파수로 장치 |
| CN103195011A (zh) * | 2013-04-01 | 2013-07-10 | 河海大学常州校区 | 透明水槽的槽钢立柱平面度的调整方法 |
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