CN104777283A - 一种用于地下水污染物运移物理模型的潮汐型水头控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于地下水污染物运移物理模型的潮汐型水头控制装置，包括传动装置以及轮系组件。所述传动装置包括齿轮组和用于切换输出功能的转换器；所述轮系组件包括外壳、凸轮、滑动杆以及弹簧，通过传动装置变速后轮系组件外壳与凸轮相对转动，使滑动杆在垂直向产生潮汐规律或正弦规律的运动。应用本装置，可将圆周运动输入通过传动装置和轮系组件转化为潮汐规律或正弦规律输出，使潮汐的效应得以在实验室条件下作用于含水层中地下水水体，为地下水中污染物参与化学反应及其迁移转化提供良好的水动力条件。其中两种输出模式可根据实际模拟需要相互切换，同时可通过更换配件可调整输出振幅，以满足不同模型比尺的需要。

Description

一种用于地下水污染物运移物理模型的潮汐型水头控制装置

技术领域

本发明涉及一种用于地下水污染物运移物理模型的潮汐型水头控制装置。

背景技术

滨海地区往往是人类产业活动密集地区，其地下水污染较内陆其他地区严重。然而在现场研究的过程中，持续性监测需要耗费大量人力物力，科研成本巨大，缺乏长时间系统研究，也难以对滨海地区水环境系统进行可持续性管理。滨海地区含水层受潮汐影响强烈，这种特定规律的动态边界是内陆含水层所不具有的特征，它会导致复杂的地下水流运动和其中污染物的运移。滨海地区是咸淡水交汇频繁的地区，通过元素示踪和同位素检测等方法很好地揭示了咸淡水混合的机理，但是其中潮汐的效应不容忽视，它深远地影响到海水运动与含水层中地下水水质、水量的相关关系，同时海滩以及更内陆的含水层介质状况对这种潮汐影响的传播也至关重要。含水层中不同离子强度的溶液在动态边界条件下运动，随时影响含水层的渗透特性，同时人为排放的污染物参与海岸带水环境中复杂的生物地球化学反应，如此，该领域研究既需要现场的基础勘测，持续观测，更需要室内实验的研究，分析多元时空分布数据，深入探究滨海地区含水层在潮汐影响下污染物的迁移转化机理。

室内的地下水渗流物理模型实验是国内外研究土壤和地下水中污染物迁移的重要手段，物理模型研究地下水中污染物迁移规律十分直观，特别地，它是揭示污染物在地下水系统中迁移转化机理的良好途径。实验室规模的地下水运动模拟在国外已有广泛开展，但由于实验装置等因素的限制，特别是对模型边界条件的控制，目前尚缺乏合适的装置。这些不足之处主要为边界情形单一。一般室内物理模型装置不便于实时控制边界条件，往往通过简单的溢流手段达到恒定水头输入的功能，然而研究区域在长时间水文过程中不可能保持恒定的边界条件，动态的边界在一定情况下还是关键变量，故研发可产生动态边界条件，特别是典型的具有周期性的（如潮汐）水头控制装置是必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于地下水污染物运移物理模型的潮汐型水头控制装置，所述装置主要模拟潮汐运动。克服了传统室内物理模型无法产生动态边界条件的缺点。该模型结构较简单，设计合理，零件可更换，重复利用率高，后续改造、升级空间大，便于科研与教学使用。

本发明提出的一种用于地下水污染物运移物理模型的潮汐型水头控制装置，包括传动装置1以及轮系组件2， 传动装置1由传动装置外壳1-1、第一齿轮1-2、第二齿轮1-3、转换器1-4、第三齿轮1-5、第四齿轮1-6、第一传动轴1-7、第二传动轴1-8和压盘1-9组成，轮系组件2由轮系组件外壳2-1、凸轮2-2、滑动杆2-3和弹簧2-4组成，其中：

第一齿轮1-2和第二齿轮1-3同轴布置，转换器1-4分别连接第一齿轮1-2、第二齿轮1-3的转轴；所述第四齿轮1-6、第三齿轮1-5与轮系组件外壳2-1通过第二传动轴1-8同轴相连，所述第四齿轮1-6和第三齿轮1-5之间设有压盘1-9，第一齿轮1-2与第四齿轮1-6啮合，第二齿轮1-3与第三齿轮1-5啮合，第四齿轮1-6与凸轮2-2通过第一传动轴1-7同轴相连，所述第一传动轴1-7为中空结构，第二传动轴1-8穿过第一传动轴1-7中空部位，可相对独立转动；所述第三齿轮1-5为主动轮，依次带动第二齿轮1-3、第一齿轮1-2和第四齿轮1-6运动；

所述转换器1-4一端带有卡口1-4-1，当卡口1-4-1与压盘1-9分离时，第三齿轮1-5依次带动第二齿轮1-3、第一齿轮1-2和第四齿轮1-6转动，实现潮汐档；当卡口1-4-1作用于压盘1-9时，第三齿轮1-5和第四齿轮1-6同步转动，实现正弦档；此时轮系组件2的输出切换为正弦规律，通过转动凸轮2-2可调整正弦水头的振幅；

所述凸轮2-2一侧设有滑动杆2-3，所述滑动杆2-3与轮系组件外壳2-1之间设有弹簧2-4；所述轮系组件外壳2-1内底部设有轨道，所述滑动杆2-3能在轨道上来回滑动，当滑动杆2-3位于凸轮2-2最大半径处时产生最大潮差，在最小半径处产生最小潮差。

本发明中，所述第三齿轮1-5与第四齿轮1-6的转速比为5:7~7:5，以驱动轮系组件2进行对潮汐的有效模拟。

本发明中，所述滑动杆2-3具有挂钩，可连接待用设备的溢流管。

本发明中，所述凸轮2-2设计根据实际需要而定，半径在50~200 mm之间，根据模型比尺选用合适尺寸的凸轮，以产生合理的水头振幅。

本发明中，传动装置外壳1-1设置可调节长度的挂钩，使该装置安装在待用设备外侧，通过调整挂钩长度，调整模拟海平面的总体高度。

本发明中，所述凸轮2-2的轮廓形状为潮差-时间关系在极坐标下cardioid曲线平滑拟合并调整局部曲率后的结果，以使滑动杆2-3能在轨道上顺利滑动，产生典型的潮汐特征，同时可通过更换凸轮来调整输出振幅，通过调整轴心高度以控制模拟的平均海平面，以适应不同模型比尺的需要，控制空间尺度效应。

本发明的有益效果在于：

1、    本发明采用外挂式组装结构，易于拆装，可对待用设备提供很好的功能扩展；

2、    本发明可将圆周运动输入通过传动装置和轮系组件转化为潮汐规律或正弦规律输出，其中两种输出模式可根据实际模拟需要相互切换；

3、    本发明可通过更换配件可调整输出振幅，以满足不同模型比尺的需要。

附图说明

图1为本发明总体组成部分示意图；

图2为本发明传动齿轮配合及转换器示意图；

图3为本发明轮系组件示意图；

图中标号：1为传动装置，2为轮系组件，1-1为传动装置外壳，1-2为第一齿轮，1-3为第二齿轮，1-4为转换器，1-4-1为卡口，1-5为第三齿轮，1-6为第四齿轮，1-7为第一传动轴，1-8为第二传动轴，1-9为压盘，2-1为轮系组件外壳，2-2为凸轮，2-3为滑动杆，2-4为弹簧。

具体实施方式

实施例1：如图1-图3所示，所述装置包括传动装置1以及轮系组件2，其中：传动装置1包含外壳1-1、第一齿轮1-2、第二齿轮1-3、转换器1-4、第三齿轮1-5、第四齿轮1-6、第一传动轴1-7、第二传动轴1-8以及压盘1-9；轮系组件2含外壳2-1、凸轮2-2、滑动杆2-3以及弹簧2-4。外壳1-1设置可调节长度的挂钩，使该装置安装在待用设备外侧，通过调整挂钩长度，调整模拟海平面的总体高度；传动装置1中的第一齿轮1-2、第二齿轮1-3、第三齿轮1-5以及第四齿轮1-6可相互啮合，具有一定的齿轮比，第三齿轮1-5为主动轮，与轮系组件外壳2-1通过第二传动轴1-8同轴相连，同时第三齿轮1-5可带动第二齿轮1-3、第一齿轮1-2以及第四齿轮1-6，第四齿轮1-6与凸轮2-2通过第一传动轴1-7同轴相连，第一传动轴1-7空心，第二传动轴1-8从中穿过，可相对独立转动，通过齿轮组的配合，第三齿轮1-5与第四齿轮1-6的转速比为5:7~7:5，以驱动轮系组件2进行对潮汐的有效模拟；本发明具有控制边界条件的两个档位，即潮汐档和正弦档，转换器1-4连接第一齿轮1-2、第二齿轮1-3的转轴，并带有卡口1-4-1，当转换器1-4保持齿轮啮合状态时（潮汐档），卡口1-4-1与压盘1-9分离，反之（正弦档）第一齿轮1-2、第二齿轮1-3与第三齿轮1-5、第四齿轮1-6解除啮合，卡口1-4-1作用于压盘1-9，使第三齿轮1-5与第四齿轮1-6同步转动，使轮系组件2的输出切换为正弦规律，此时转动凸轮2-2可调整正弦水头的振幅；凸轮2-2的形状为潮差-时间关系在特定方程下平滑拟合并调整局部曲率后的结果，以使滑动杆2-3能在轨道上顺利滑动，同时滑动杆2-3具有挂钩，可连接待用设备的溢流管，在外壳2-1和凸轮2-2相对运动的过程中产生典型的潮汐特征，当滑动杆2-3在凸轮2-2最大半径处时产生最大潮差，在最小半径处产生最小潮差。凸轮2-2设计为大小各异的一组，最大半径在50~200 mm之间，根据模型比尺选用合适尺寸的凸轮，以产生合理的水头振幅。潮汐与正弦动态水头边界输入。

本发明的工作过程如下：

(1)组装该水头控制装置，安装于待用设备的水箱上，并将控制水位的溢流管安装在滑动杆上，使溢流管开始溢流；

(2)连接电机，调整电机转速，将转换器拨至潮汐档，保证传动装置啮合到位，轮系组件运转顺畅；

(3)在滑动杆顺利运行的过程中，记录溢流管控制的水位高度变化，结果表明轮系组件的外壳和凸轮的相对运动可以通过齿轮控制较为准确模拟典型的潮汐周期，一个潮汐周期内包含30次波动，波动振幅从10 mm到379 mm缓慢地周期性变化，模拟的邻近两次高潮的时间与轮系组件的外壳转动周期相同，溢流管控制的水位高度变化与典型的潮汐波动规律吻合，由于控制的转速较慢，溢流充分，溢流管控制的水位高度变化未检测到相位的滞后；

(4)断开电源，将凸轮转动到合适位置，以调整正弦输出的振幅，将转换器拨至正弦档，保证压盘与相应齿轮紧密结合，开启电源，轮系组件外壳与凸轮同步转动；

(5)记录溢流管控制的水位高度变化，结果表明输出为标准正弦曲线，其振幅为滑动杆与凸轮轴心的距离，周期与轮系组件转动的周期相同，由于控制的转速较慢，溢流充分，溢流管控制的水位高度变化未检测到相位的滞后。

Claims (6)

1.一种用于地下水污染物运移物理模型的潮汐型水头控制装置，包括传动装置(1)以及轮系组件(2)，其特征在于：传动装置(1)由传动装置外壳(1-1)、第一齿轮(1-2)、第二齿轮(1-3)、转换器(1-4)、第三齿轮(1-5)、第四齿轮(1-6)、第一传动轴(1-7)、第二传动轴(1-8)和压盘(1-9)组成，轮系组件(2)由轮系组件外壳(2-1)、凸轮(2-2)、滑动杆(2-3)和弹簧(2-4)组成，其中：

第一齿轮(1-2)和第二齿轮(1-3)同轴布置，转换器(1-4)分别连接第一齿轮(1-2)、第二齿轮(1-3)的转轴；所述第四齿轮(1-6)、第三齿轮(1-5)与轮系组件外壳(2-1)通过第二传动轴(1-8)同轴相连，所述第四齿轮(1-6)和第三齿轮(1-5)之间设有压盘(1-9)，第一齿轮(1-2)与第四齿轮(1-6)啮合，第二齿轮(1-3)与第三齿轮(1-5)啮合，第四齿轮(1-6)与凸轮(2-2)通过第一传动轴(1-7)同轴相连，所述第一传动轴(1-7)为中空结构，第二传动轴(1-8)穿过第一传动轴(1-7)中空部位，可相对独立转动；所述第三齿轮(1-5)为主动轮，依次带动第二齿轮(1-3)、第一齿轮(1-2)和第四齿轮(1-6)运动；

所述转换器(1-4)一端带有卡口(1-4)-1，当卡口(1-4)-1与压盘(1-9)分离时，第三齿轮(1-5)依次带动第二齿轮(1-3)、第一齿轮(1-2)和第四齿轮(1-6)转动，实现潮汐档；当卡口(1-4)-1作用于压盘(1-9)时，第三齿轮(1-5)和第四齿轮(1-6)同步转动，实现正弦档；此时轮系组件(2)的输出切换为正弦规律，通过转动凸轮(2-2)可调整正弦水头的振幅；

所述凸轮(2-2)一侧设有滑动杆(2-3)，所述滑动杆(2-3)与轮系组件外壳(2-1)之间设有弹簧(2-4)；所述轮系组件外壳(2-1)内设有轨道，所述滑动杆(2-3)能在轨道上来回滑动，潮汐档工作时，当滑动杆(2-3)位于凸轮(2-2)最大半径处时产生最大潮差，在最小半径处产生最小潮差。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述第三齿轮(1-5)与第四齿轮(1-6)的转速比为5:7~7:5，以驱动轮系组件(2)进行对潮汐的有效模拟。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述滑动杆(2-3)具有挂钩，可连接待用设备的溢流管。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述凸轮(2-2)设计根据实际需要而定，半径在50~200 mm之间，根据模型比尺选用合适尺寸的凸轮，以产生合理的水头振幅。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于传动装置外壳(1-1)设置可调节长度的挂钩，使该装置安装在待用设备外侧，通过调整挂钩长度，调整模拟海平面的总体高度。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述凸轮(2-2)的轮廓形状为潮差-时间关系在极坐标下cardioid曲线平滑拟合并调整局部曲率后的结果，以使滑动杆(2-3)能在轨道上顺利滑动，产生典型的潮汐特征，同时可通过更换凸轮来调整输出振幅，通过调整轴心高度以控制模拟的平均海平面，以适应不同模型比尺的需要，控制空间尺度效应。