CN104480896A - 一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置与方法 - Google Patents

一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置与方法，该装置包括模型水库、缓冲池、浑水池和出水池等；该方法包括以下步骤：1)开启空调，通过冷凝管控制模型水库内的水温，从上而下依次形成变温层、跃温层和等温层；2)在浑水池中配制一定浓度的含沙浑水，并搅拌均匀，测量浑水池和模型水库中的水温；开启泵并调节其流量至要求值，同时打开并调节模型水库底部排水口的出水阀门，使得Q入＝Q出，开始计时；3)沿模型水库的水平方向自出水口开始,从左向右间隔50cm、50cm、50cm、30cm选取5个断面，每个断面垂向间隔5cm设置1个取样口，每间隔一定时间取样，测量各断面不同高度处的水温；4)对步骤3)所取的水样进行浊度测量并分析数据。

Description

一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置与方法
技术领域
本发明属于水库水质污染控制领域，涉及分层水库异重流模拟实验研究，具体涉及一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置与方法。
背景技术
异重流是两种或者两种以上的流体相互接触，在密度有一定差异时，其中一种流体沿着交界面的方向，则不同流体在交界面以及其他特殊的局部处可能发生一定程度的掺混现象，但在运动过程中不会出现全局性的掺混现象。异重流是自然界一种常见的现象，有时候需要防止或者减异重流的形成(如船闸引航道盲肠段的异重流入侵、沉淀池的异重流入侵等)，有时也要促使异重流的形成(如水库建后初期可增强近坝区泥沙淤积铺盖和防渗、后期为减少库内淤积，可利用异重流排沙)，由于异重流的复杂性，国内外许多学者对其进行了研究。
水温是水环境中重要的影响因子之一，水库作为开发利用水资源中最常见的工程措施，在带来巨大的经济效益的同时，也改变了天然河流的水文以及热交换过程，从而引起水体温度分布，进而使得异重流的运动状态因温度分层条件而异。大型深水水库的水体一般在气温较高的夏季和气温较低的冬季分别会发生正向和逆向水温分层。
泥沙是众多污染物、溶解盐、余热等的载体，暴雨季节泥沙异重流携带的污染物负荷一般占水库污染物年负荷总量的70％以上，研究泥沙在水库中如何输移和扩散，对于市政供水、灌溉用水等在水库中不同高程的分层取水和维持库区生态环境有十分重要的指导作用，泥沙异重流在非分层水库中的研究已经得到国内外学者的广泛重视和研究；但受限于分层水库物理模型的研制和不同位置泥沙的同时取样等难题，泥沙异重流在分层水库中的研究相对滞后。
目前异重流试验系统中基本均采用加热方法获取分层水库的物理模型，但该法水温分层受限于气温，控制较难，加热棒也影响水流。由于异重流演变形式多样，不同位置泥沙的同时取样一直未有可行的方法；泥沙浓度也一直采用烘干称重法测量，费时费力。
发明内容
本发明的目的是针对现有异重流试验研究中所存在的缺陷和不足，提供了一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置与方法。该模拟试验装置结构简单，操作方便。通过该模拟实验装置可以减少以往在异重流实验阶段降温或者升温对水槽内流场的干扰，采用空调连接冷凝管使水温达到分层效果，从而成功地模拟了泥沙异重流在分层水体中的运动过程，提高了对异重流分析的与研究的准确性。
为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案来实现。
一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，包括模型水库、缓冲池、浑水池和出水池；其中，模型水库的右侧壁呈阶梯形，该右侧壁包括由下至上依次设置的斜板、水平板以及竖直板，其中，斜板的一端与模型水库的底板相连，其另一端与水平板的一端相连，水平板的另一端与竖直板之间为模型水库的进水口，模型水库的左侧壁上由上至下依次开设有若干出水口，模型水库内由上至下依次设置有若干冷凝管，若干冷凝管分别与设置在模型水库外的空调相连；缓冲池设置在模型水库的进水口一侧，出水池设置在模型水库的出水口一侧，浑水池与缓冲池之间通过加水管相连通，该加水管上设置有泵，浑水池内设置有搅拌机。
本发明进一步的改进在于：模型水库内还设置有与空调相连的温度传感器。
本发明进一步的改进在于：模型水库的左侧壁上由上至下依次开设有第一出水口、第二出水口、第三出水口以及第四出水口。
本发明进一步的改进在于：模型水库内由上至下依次设置有第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管。
本发明进一步的改进在于：模型水库的外壁上设有均匀的刻度。
本发明进一步的改进在于：出水池的底部设置有出流管。
本发明进一步的改进在于：加水管上还设置有电磁流量计。
一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验方法，包括以下步骤：
1)开启空调，通过冷凝管控制模型水库内的水温，从上而下依次形成表层变温层、中部跃温层以及底部等温层；
2)把称量好的石英砂均匀地散倒入浑水箱中，并用搅拌机搅拌均匀，以配制相应浓度的含沙浑水；测量浑水池和模型水库的水温，开启泵并调节其流量使其达到要求值，同时打开模型水库最左端底部排水口的出水阀门，并调节出水阀门的大小，使得Q入＝Q出，并开始计时；
3)沿模型水库的水平方向从左向右，自模型水库出水口开始依次间隔50cm、50cm、50cm、30cm选取5个断面，每个断面垂向间隔5cm设置1个取样口，第一至第四断面，每个断面垂向布设13个取样口，第五断面垂向布设7个取样口，每间隔一定时间取样，并测量每个断面不同高度处的水温；其中，该模型水库的水平长度为2.5m，缓冲池的水平长度为0.3m，出水池的水平长度为0.5m；
4)对步骤3)所取的水样进行浊度测量并分析数据。
与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：
1、温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置成功的模拟了水库的水温分层环境，为未来的实验研究以及大型物理模拟实验奠定了基础。
2、本发明的模拟实验系统在实验室利用空调连接冷凝管制冷实现水槽的垂向水温分层，相比其他方法，减少了装置对水槽内流场的干扰。
3、与现有其他水温分层模拟方法相比，本发明的优点是：采用本发明方法形成的水温分层水体具有水温分层稳定、同一水平面水温均匀，制冷速度快、能耗低、装置简单、试验不受季节限制等优点。
4、当水流进入装置时先进入缓冲池，然后在以稳流的方式进入模拟区。
5、本发明的模拟实验系统采用白色的石英沙子来调配浑水，该石英砂的分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，具有热膨胀系数小、耐腐蚀性的特点，且该泥沙随水的跟随性优异，是较好的异重流实验的泥沙原材料
6、本发明中，采用基于浊度的泥沙浓度快速分析方法，并采用基于虹吸原理的泥沙同时取样器实时分析水库中泥沙浓度的分布。
7、进一步地，模型水库中还设置有刻度尺和底部出流口，从而保证在模拟实验进行的过程中，通过调节流量，确保液面恒定。
8、进一步地，在浑水箱和模型水库中间处增设缓冲池，并用合适的砖块压住进水管头部，当水流进入缓冲池后，先从缓冲池底部流出，再慢慢上升，直至以恒定的流速漫出缓冲池而进入模型水库，避免了进水不均匀对异重流演变特性的影响。
9、进一步地，在浑水池后增设稳压泵，一方面可以使浑水箱中的水以恒定流速进入缓冲池，另一方面，可以使模型水库的进水管在整个实验过程中保持满管，从而有利于实验的进行。
综上所述，本发明利用空调冷凝管对水库底部水体致冷的方法获取等温层水体，再依靠自然传热过程实现水库内部的水温分层，并根据虹吸原理研制了泥沙同时取样装置，根据泥沙颗粒对光的散射特性建立了泥沙浓度的快速测定方法。应用该系统和方法，能理想地模拟和研究泥沙异重流在水温分层水体中的运动过程和特性。
附图说明
图1为本发明一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置的结构示意图。
图2为本发明一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验方法中断面的选取示意图。
其中：1、模型水库；2、水平板；3、竖直板；4、竖直板；5、进水口；6、缓冲池，7、浑水池；8、出水池；9、空调；10、温度传感器；11、泵；12、电磁流量计；13、出流管；14、搅拌机；15、第一出水口；16、第二出水口；17、第三出水口；18、第四出水口；19、第一冷凝管；20、第二冷凝管；21、第三冷凝管；22、加水管；23、第一断面；24、第二断面；25、第三断面；26、第四断面；27、第五断面。
图3为水样中泥沙浓度与浊度的对应关系图。
图4为当石英砂浓度为5g/L、入流流速为0.0025m/s时模型水库泥沙浓度的时空分布图；其中，图4(a)～(f)分别为当石英砂流入5min、10min、20min、30min、40min及50min后模型水库泥沙浓度的时空分布图。
图5为当石英砂浓度为2.5g/L、流速为0.00125m/s时模型水库泥沙浓度的时空分布图；其中，图5(a)～(f)分别为当石英砂流入5min、10min、20min、30min、40min及50min后模型水库泥沙浓度的时空分布图。
图6为当石英砂浓度为7.5g/L、流速为0.075m/s时模型水库泥沙浓度的时空分布图；其中，图6(a)～(f)分别为当石英砂流入5min、10min、20min、30min、40min及50min后模型水库泥沙浓度的时空分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，包括模型水库1、缓冲池6、浑水池7和出水池8；其中，模型水库1的右侧壁呈阶梯形，该右侧壁包括由下至上依次设置的斜板2、水平板3以及竖直板4，其中，斜板2的一端与模型水库1的底板相连，其另一端与水平板3的一端相连，水平板3的另一端与竖直板4之间为模型水库1的进水口5，这样使得试验在稳定的流场中进行，并加速形成异重流分层效果，以及能更清楚的观察温差-泥沙耦合异重流模拟试验的分层现象；模型水库1的左侧壁上由上至下依次开设有若干出水口，模型水库1内由上至下依次设置有若干冷凝管，若干冷凝管分别与设置在模型水库1外的空调9相连，空调9用于通过冷凝管对模型水库1中的水进行制冷，使其产生分层效果；缓冲池6设置在模型水库1的进水口5一侧，出水池8设置在模型水库1的出水口一侧，浑水池7与缓冲池6之间通过加水管22相连通，该加水管22上设置有泵11，浑水池7内设置有搅拌机14。
进一步地，模型水库1内还设置有与空调9相连的温度传感器10，通过温度传感器10测量模型水库1内的水温并控制空调9的启闭。模型水库1的左侧壁上由上至下依次开设有第一出水口15、第二出水口16、第三出水口17以及第四出水口18。模型水库1内由上至下依次设置有第一冷凝管19、第二冷凝管20以及第三冷凝管21。模型水库1的外壁上设有均匀的刻度。
进一步地，出水池8的底部设置有出流管13。加水管22上还设置有电磁流量计12，通过电磁流量计12调节进入到模型水库1中的水流量大小，泵9用于增加电磁流量计12进出水口之间的水压，以使水流以有压满管流经电磁流量计12，保证准确计量水流的流量。
其中，本发明模型水库1的进水口5采用稳流进水，通过调节泵11使浑水池7中的水以恒定的流速进入缓冲池6，然后通过进水口5以恒定速度的稳流进入模型水库1，该模拟试验装置还包括设置在出水池8底层的出流管13；模型水库1中还设置有刻度尺，用来监测模型水库1水量。
参见图1和图2本发明一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验方法，包括以下步骤：
1)开启空调9，通过冷凝管控制模型水库1内的水温，从上而下依次形成表层变温层、中部跃温层以及底部等温层；
2)把称量好的石英砂均匀地散倒入浑水箱7中，并用搅拌机14搅拌均匀，以配制相应浓度的含沙浑水；测量浑水池7温度，开启泵11并调节其流量使其达到要求值，同时打开模型水库1最左端底部排水口13的出水阀门，并调节出水阀门的大小，使得Q入＝Q出，并开始计时；
3)沿模型水库1的水平方向从左向右依次间隔50cm、50cm、50cm、30cm选取5个断面，每个断面垂向间隔5cm设置1个取样口，第一至第四断面，每个断面垂向布设13个取样口，第五断面垂向布设7个取样口，每间隔一定时间取样，并测量每个断面的垂向温度；其中，该模型水库1的水平长度为2.5m，缓冲池6的水平长度为0.3m，出水池8的水平长度为0.5m；
具体是：本发明模拟试验装置中，沿模型水库1的水平方向从左向右依次间隔50cm，50cm，50cm，30cm选取5个断面，分别对应第一断面27、第二断面26、第三断面25、第四断面24、以及第五断面23，前4个断面垂向布设13个垂向取样口，第五断面垂向布设7个，每个取样口垂向间隔5cm，取样时，采用虹吸原理进行采样。每隔5min，10min，20min，30min，40min，50min取样(5个断面处同时进行)，并在同一时间依次测量每个取样口垂向温度分布。
4)对步骤3)所采取的水样进行浊度测量并分析数据。
进一步地，本发明整个试验过程用摄像机进行监测，通过摄像机来监测泥沙异重流在分层水环境中的运动情况，并且可以对试验过程中浑水异重流在分层环境中的前锋厚度以及相关运动速度等进行分析。本发明水样中的泥沙浓度采用基于水样的浊度的分析方法，首先配置含不同浓度泥沙的水样，测定水样的浊度，建立泥沙浓度和浊度的关系曲线，然后根据实测水样的浊度计算其中的泥沙浓度。本发明中水流速度采用超声波剖面流速仪进行测量。本发明中泥沙异重流的演变采用高像素摄像机进行拍摄追踪。
实施例：
参见图3和图4，利用图3所示关系曲线将水样的浊度转化为含沙量，然后利用含沙量数据绘制模型水库中不同条件下不同时刻泥沙浓度分布。
由图4可见，当石英砂浓度为5g/L、入流流速为0.0025m/s时，异重流为间层流(在-0.15～-0.4m之间)，间层流的位置是-0.225m处，间层流的厚度为0.15m，并且间层流的位置随时间的推移而下移，厚度增加，速度逐渐减小。
由图5可见，当石英砂浓度为2.5g/L、流速为0.00125m/s时，异重流为表层流(在0～-0.15m之间)。
由图6可见，当石英砂浓度为7.5g/L、流速为0.075m/s时，异重流为潜流(在-0.4～-0.6m之间)。
通过该试验装置，设置不同的进水泥沙浓度和流速条件，可以得到不同条件下异重流的类型和演变特性；也可以分析不同入流泥沙浓度对异重流特性的影响(参见图6)。当流速为0.005m/s时，沿水流方向泥沙浓度逐渐减小，石英砂浓度1.25、2.5、3.75、和5g/L对应的间层流的位置是-0.18m，-0.2m，-0.22m，和-0.25m；随着入流泥沙浓度的增加，间层流的位置逐渐下移，并且当浓度到达一定浓度时会出现部分沉淀。
综上所述，本发明可根据实际需要，扩大或缩小模型水库尺寸，进行不同水温分层结构及进水泥沙浓度、流速等条件下的异重流模拟试验的研究。本发明实施操作方便，使用成本低廉，易于控制，具有推广应用价值。

Claims (8)

1.一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，其特征在于：包括模型水库(1)、缓冲池(6)、浑水池(7)和出水池(8)；其中，模型水库(1)的右侧壁呈阶梯形，该右侧壁包括由下至上依次设置的斜板(2)、水平板(3)以及竖直板(4)，其中，斜板(2)的一端与模型水库(1)的底板相连，其另一端与水平板(3)的一端相连，水平板(3)的另一端与竖直板(4)之间为模型水库(1)的进水口(5)，模型水库(1)的左侧壁上由上至下依次开设有若干出水口，模型水库(1)内由上至下依次设置有若干冷凝管，若干冷凝管分别与设置在模型水库(1)外的空调(9)相连；缓冲池(6)设置在模型水库(1)的进水口(5)一侧，出水池(8)设置在模型水库(1)的出水口一侧，浑水池(7)与缓冲池(6)之间通过加水管(22)相连通，该加水管(22)上设置有泵(11)，浑水池(7)内设置有搅拌机(14)。
2.根据权利要求1所述的一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，其特征在于：模型水库(1)内还设置有与空调(9)相连的温度传感器(10)。
3.根据权利要求1所述的一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，其特征在于：模型水库(1)的左侧壁上由上至下依次开设有第一出水口(15)、第二出水口(16)、第三出水口(17)以及第四出水口(18)。
4.根据权利要求1所述的一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，其特征在于：模型水库(1)内由上至下依次设置有第一冷凝管(19)、第二冷凝管(20)以及第三冷凝管(21)。
5.根据权利要求1所述的一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，其特征在于：模型水库(1)的外壁上设有均匀的刻度。
6.根据权利要求1所述的一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，其特征在于：出水池(8)的底部设置有出流管(13)。
7.根据权利要求1所述的一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，其特征在于：加水管(22)上还设置有电磁流量计(12)。
8.一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验方法，其特征在于：该方法基于权利要求1至7中任一项所述的一种分层水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验装置，包括以下步骤：
1)开启空调(9)，通过冷凝管控制模型水库(1)内的水温，从上而下依次形成表层变温层、中部跃温层以及底部等温层；
2)把称量好的石英砂均匀地散倒入浑水箱(7)中，并用搅拌机(14)搅拌均匀，以配制相应浓度的含沙浑水；测量浑水池(7)和模型水库(1)的水温，开启泵(11)并调节其流量使其达到要求值，同时打开模型水库(1)最左端底部排水口(13)的出水阀门，并调节出水阀门的大小，使得Q入＝Q出，并开始计时；
3)沿模型水库(1)的水平方向从左向右，自模型水库(1)出水口开始依次间隔50cm、50cm、50cm、30cm选取5个断面，每个断面垂向间隔5cm设置1个取样口，第一至第四断面，每个断面垂向布设13个取样口，第五断面垂向布设7个取样口，每间隔一定时间取样，并测量每个断面不同高度处的水温；其中，该模型水库(1)的水平长度为2.5m，缓冲池(6)的水平长度为0.3m，出水池(8)的水平长度为0.5m；
4)对步骤3)所取的水样进行浊度测量并分析数据。
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