CN103938575B - 一种模拟水温分层流动的电加热实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟水温分层流动的电加热实验装置，包括：矩形电加热箱，电加热箱包括薄板构成两端敞开的箱体，箱体两个敞开的侧面分别为水流的上下游，箱体的左右壁之间由上到下分层次均匀的水平设置多块绝热隔板，各个绝热隔板之间设置多个加热元件，各个绝热隔板之间的加热元件数量和功率由水面向下递减，加热元件与控制柜电连接。本发明采用的分层放置的绝热隔板，隔绝分层流动的水流并进行分层加热。加热元件的设置采取由水面向下的数量和功率的递减，以模拟水温向下的变化。与现有技术相比，可以使模拟过程中水温-流场达到稳定状态，并长时间持续，因此可以模拟出大型水温分层型水库中，进水口取水引起的连续分层流动过程。

Description

一种模拟水温分层流动的电加热实验装置

技术领域

本发明涉及一种模拟水温分层流动的电加热实验装置，是一种环保生态水工实验装置，是一种用于对水库、深水河流由浅入深的水流流动和水温变化的模拟。

背景技术

工程实践表明，调节性好的水库在坝前水深方向均呈现不同程度的水温分层，同时水库为保证发电及工农业引水需要，进水口均要求有一定淹没深度，在夏季水库高水位运行且水温分层明显的情况下，下泄水温较建坝前的天然河道水温明显降低，从而带来一系列低温水影响，如对河谷小气候的影响，对下游河道水生生态的影响，对农业灌溉的影响等。特别是对水生生态的影响，下泄低温水可能严重影响水生生物如鱼类、爬行类、两栖类动物的产卵与生长，甚至导致物种的消失。因此，研究水流分层流动和水温分层变化，以及两者之间相互关系是分层取水和保护生态环境的重要研究课题。

采用水温分层物理模型试验方法，是研究分层取水问题的广泛应用和十分有效的技术手段。现有的水温分层物理实验有采用对试验水池内的水体缓慢地分层注入不同温度的水，由于水体密度的不同，冷水下潜热水上浮，最终形成水温分层条件。例如：中国专利《水库水温分层模拟方法》（公告号：CN101775787，公告日2010.7.14），先通过加热系统将不同加热池内的水体分别加热，然后利用该装置将不同温度的水体一次性注入模型水库，静置模型水库内水体，最后形成多层水库水温。上述方法虽然能在初期形成水温垂线分布，然而一旦开始取水，水库内形成流动状态，水温垂线分布又将发生变化，同时库内水体逐渐减少。模拟过程中水温-流场无法达到稳定状态，持续时间也较为短暂，因此仍无法模拟出大型水温分层型水库中，进水口取水引起的连续分层流动过程，即无法长时间模拟动态流场中的稳定分层温度场变化。对分层水体如何加热，是需要解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种模拟水温分层流动的电加热实验装置。所述的装置对分层水流进行分层加热，实现了稳定的分层水流温度场。

本发明的目的是这样实现的：一种模拟水温分层流动的电加热实验装置，包括：与上游供水前池连接的电加热箱，所述的电加热箱包括薄板构成两端敞开的矩形的箱体，所述箱体两个敞开的侧面分别为水流的上下游，所述箱体的左右壁之间由上到下分层次均匀的水平设置多块绝热隔板，各个绝热隔板之间设置多个加热元件，各个绝热隔板之间的加热元件数量和功率由水面向下递减，所述的加热元件与控制各个加热元件开启和关闭的控制柜电连接。

进一步的，所述的加热元件位于上下两块绝热隔板之间、接近下面一块绝热隔板的1/3处。

进一步的，所述的加热元件是加热棒，所述的加热棒水平放置，其长轴方向垂直于水流方向。

进一步的，所述的绝热隔板在位于下游的部位设置由挡板调节器控制的出口控制板。

进一步的，所述的挡板调节器包括：安装在箱体侧板上的手轮，所述的手轮通过传动机构与转轴连接，所述的转轴上设有支杆，所述的支杆与出口控制板固定连接。

进一步的，所述的传动机构是齿轮转动、带传动、链传动中的一种。

进一步的，所述的手轮设有制动机构。

进一步的，所述的出口控制板的下侧设有稳流板。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的分层放置的绝热隔板，隔绝分层流动的水流并进行分层加热。加热元件的设置采取由水面向下的数量和功率的递减，以模拟水温向下的变化。与现有技术相比，可以使模拟过程中水温-流场达到稳定状态，并长时间持续，因此可以模拟出大型水温分层型水库中，进水口取水引起的连续分层流动过程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一、三所述的装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例一、二所述的装置的结构原理示意图，是图1中A-A方式剖视图；

图3是本发明的实施例一所述实例装置的加热元件的数量和分布情况示意图；

图4是本发明的实施例四所述出口控制板的结构示意图，是图2中B点的放大图；

图5是本发明的实施例五、六所述挡板调节器的结构意图，是图2中C方向视图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种模拟水温分层流动的电加热实验装置，如图1、2所示。本实施例包括：与上游供水前池1连接的电加热箱，所述的电加热箱包括薄板构成两端敞开的矩形的箱体200，所述箱体两个敞开的侧面分别为水流的上下游（图1、2中的箭头表示水流方向），所述箱体的左右壁之间由上到下分层次均匀的水平设置多块绝热隔板202，各个绝热隔板之间设置多个加热元件201，各个绝热隔板之间的加热元件数量和功率由水面向下递减，所述的加热元件与控制各个加热元件开启和关闭的控制柜4电连接。

本实施例是模拟水温分层流动使用系统的关键部分，主要作用是形成流动水体不同水深的水温温度场，进行模拟水温分层流动实验。流动水体分层主要由供水装置和本实施例所述装置完成，因此，本实施例的上游是分层供水装置，下游则是用于实验的水池。

箱体可以是水槽形，即只有左右边板和底板，也可以是方桶形，即有左右边板、底板和盖板。为提高加热棒的效率，使用带有盖板的箱体更加合理。因此，箱体可以是两端敞开的方桶形，敞开的两端中，一端与上游的供水装置连接，一端与下游的实验水池连接。

为使水流分层流动，本实施例采取了物理隔绝的方式，将多块绝热隔板水平的设置在箱体中，使箱体中形成许多格子。由于隔板是绝热的，并且隔板与箱体侧壁之间水密连接，使得隔板之间的水不能交流，因此，各个隔板之间的热量也不能交流。水流经过隔板可以比较分明的形成层次，为分层水温提供了条件。

隔板之间设置加热元件，对水流进行加热。由于水温分层流动实验所需的水流温度是由水面向下逐渐降低。因此，设置的加热元件的数量也由水面向下逐渐减少，加热元件的功率也降低。

加热元件可以有多种形式：长棒状，短棒状，圆形等。各个加热元件分别由控制柜开启或关闭，方便的调节加热水温。

由于热量是向上流动的，加热元件可以选择安装在两个隔板距离下面一个隔板更接近的位置，以便更加充分的发挥加热元件的效率。

在一些实验过程中实验水池内形成的水温分布类似于注入不同温度的水，宜出现温跃层转折点处水温分布凹凸性与实际不符。为解决这个问题，在绝热隔板的出水口处可以设置出口控制板，用以调整每层加热水流的出流流量。出口控制板是一块安装可以在人为操作下翘起的板，用以改变隔板间的出口面积，当出口控制板放平时，出口面积最大，当出口控制板翘起最大时，出口面积最小。

当出口控制板翘起的时候，为使下面一个隔板出口不至于增大，可以在出口控制板的下面设置稳流板。当上面一个隔板出口的出口控制板翘起时，稳流板可以使下面的隔板出口保持原来的口径，而不发生变化。

控制柜是一个控制各个加热元件开启和关闭的开关柜。各个电加热元件可以单个控制，也可以几个连接为一组进行控制，以方便调整分层水温为要。

图3是一个加热箱的加热元件和各个元件的功率分布示意图。如图3所示，最接近水面的A层有五个2000W、一个1000W和一个500W加热元件，C、D层的加热元件数量虽然与A层相仿，但加热元件的功率有所减少。随着水深的增加，加热元件的数量和功率不断减小。

实验实例举例：某一大型水电站4月份分层取水模型实验中，根据现场监测资料，将水温沿水深方向分成10层，采用比尺1：150正态模型。通过控制各个不同高程、不同功率加元件的开启或关闭，模拟水温分层。在试验过程中，对水体进行持续加热，使温度分布始终保持稳定状态。实验过程中考虑密度Froude数相似原则进行模拟，可减小加热功率。加热元件采用功率为500W、1000W和2000W的三种类型加热棒。图3是实例中加热箱的加热元件和各个元件的功率分布示意图。如图3所示，加热棒总功率为79KW，最接近水面的A层有五个2000W、一个1000W和一个500W加热元件， C、D层的加热元件数量虽然与A层相仿，但加热元件的功率有所减少。随着水深的增加，加热元件的数量和功率不断减小。电加热棒平行布置，总体规律遵循数量“上多下少”，功率“上大下小”的原则。实例中，加热区分层数根据实际水库水温分布定为10层，并根据流量、流速及目标水温换算每层加热功率。两个隔板之间的距离H=0.1m，电加热棒的之间的水平间距b根据当层所需最大功率数确定，b=0.08m。将各个电加热棒编号，由控制柜统一控制，控制柜内设置于加热棒相同数量的开关，并将开关编号与电加热棒编号一一对应。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例二加热元件的细化。本实施例所述的加热元件位于上下两块绝热隔板之间、接近下面一块绝热隔板的1/3处。

本实施例所述的加热元件的位置位于两个隔板之间偏下的位置，这是为了充分发挥加热元件作用而确定的。由于加热元件在发热时，距离加热元件周围都会受到加热的辐射热。也就是说，在加热元件周围有一个各项同性的加热辐射温度场，而距离较远的位置则需要有介质传递热量，而介质传递热量的途径是向上的途径。因此，将加热元件完全贴在下面一层的绝热隔板上并不合理，而且中间位置，或者更加靠近上面一块绝热隔板都是不合理的。加热元件放在两块绝热隔板之间距离H的1/3比较合理，如图2所示。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于加热元件的细化。本实施例所述的加热元件是加热棒，所述的加热棒水平放置，其长轴方向垂直于水流方向。

加热棒的优势在于外形为长条状，可以横在水流方向上，使流过的水均匀的加热，如图1所示。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于绝热隔板的细化。本实施例所述的绝热隔板在位于下游的部位设置由挡板调节器控制的出口控制板203，如图4所示。

出口控制板的作用是调整两个绝热隔板之间出口的面积，用于改变流量。出口控制板可以设置在一个铰链上，出口控制板利用绕铰链的摆动改变绝热隔板出口的面积。出口控制板可以向上翘，也可以向下弯。向上翘则是调节上面一个出口的面积（图4中用虚线表示的出口控制板翘起的情况），向下弯则是调节下面一个出口的面积。

挡板调节器有多种形式，例如可以用扭动铰链的方式，也可以用杠杆带动控制板转动的方式等。

实施例五：

本实施例是实施例四的改进，是实施例四关于挡板调节器的细化。本实施例所述的挡板调节器包括：安装在箱体侧板上的手轮207，所述的手轮通过传动机构208与转轴204连接，所述的转轴上设有支杆206，所述的支杆与出口控制板固定连接，如图5所示。

本实施例所述的挡板调节器是通过手轮的转动，通过传动机构带动转轴（出口控制板的铰链）转动，带动出口控制板转动。传动机构可以是各种杠杆性质的机械传动机构。手轮上应当带有制动机构，一旦出口控制板调节到位，即将手轮锁定，以免出口面积变动而使实验数据不精确。

实施例六：

本实施例是实施例五的改进，是实施例五关于传动机构的细化。本实施例所述的传动机构是齿轮转动、带传动、链传动中的一种。

齿轮传动可以使用十分精确的摆线齿轮，也可以使用普通的渐开线齿轮。带传动则可以使用精确的同步齿形带，或普通平皮带。

实施例七：

本实施例是实施例六的改进，是实施例六关于手轮的细化。本实施例所述的手轮设有制动机构。

手轮的制动机构可以是类似顶丝式的锁紧，也可以棘轮-棘爪的锁紧。甚至直接使用涡轮蜗杆传动这种具有自锁功能的传动装置。

实施例八：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于出口控制板的细化。本实施例所述的出口控制板的下侧设有稳流板。

稳流板是绝热隔板的延伸，当出口控制板放平时，与稳流板平行，以便在出口控制板翘起时，影响其他出口。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如加热元件的连接方式、箱体的形状、绝热隔板的形式和设置方式等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种模拟水温分层流动的电加热实验装置，包括：与上游供水前池连接的矩形电加热箱，所述的电加热箱包括薄板构成两端敞开的矩形的箱体，所述箱体两个敞开的侧面分别为水流的上下游，所述箱体的左右壁之间由上到下分层次均匀的水平设置多块绝热隔板，各个绝热隔板之间设置多个加热元件，各个绝热隔板之间的加热元件数量和功率由水面向下递减，所述的加热元件与控制各个加热元件开启和关闭的控制柜电连接；所述的加热元件位于上下两块绝热隔板之间、接近下面一块绝热隔板的1/3处；所述的加热元件是加热棒，所述的加热棒水平放置，其长轴方向垂直于水流方向；其特征在于，所述的绝热隔板在位于下游的部位设置由挡板调节器控制的出口控制板。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的挡板调节器包括：安装在箱体侧板上的手轮，所述的手轮通过传动机构与转轴连接，所述的转轴上设有支杆，所述的支杆与出口控制板固定连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的传动机构是齿轮转动、带传动、链传动中的一种。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的手轮设有制动机构。

5.根据权利要求2-4之一所述的装置，其特征在于，所述的出口控制板的下侧设有稳流板。