CN104792665A - 一种岸坡模型污染扩散实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境工程设备制造技术领域，具体涉及一种槽中槽结构的复杂式岸坡模型污染扩散实验装置，用于分析和处理复杂岸坡污染物的横向和竖向扩散参数及其特性；主体结构由外水槽与基础底座单元、内水槽与加药箱单元和格栅与机械传动单元三个部分组合而成，采用在内水槽外侧套制外水槽的槽中槽结构，内水槽内部模拟复杂岸坡水域且底部开设连通孔使其内外部所受压力相同，内水槽内部使用振荡格栅模拟紊流水体环境，防水密封的外水槽承受结构压力并为内水槽提供安装空间、为实验模型提供静止水域的环境条件；其结构简单，操作方便，在实验过程中能保持复杂岸坡模型整体性、实验参数精确性和药剂守恒性，提高实验成功率。

Description

一种岸坡模型污染扩散实验装置

技术领域：

本发明属于环境工程设备制造技术领域，具体涉及一种槽中槽结构的复杂式岸坡模型污染扩散实验装置，用于分析和处理复杂岸坡污染物的横向和竖向扩散参数及其特性。

背景技术：

环境水力学是水力学的一个新分支，研究污染物在水体中混合输移的规律及其应用，主要目标是探求因混合、输移而形成的污染物浓度随时间和空间的变化关系，为水质评价与预报、水质规划与管理、排污工程的规划设计以及水资源保护的合理措施提供基本依据，模拟实验是主要研究方法之一；目前，针对水域复杂岸坡污染扩散模拟的实验研究是环境水力学发展过程中亟需解决的关键技术问题，现有的污染扩散实验设备或模型，存在功能单一，参数分析难度大且精度小，实验水深较浅，导致污染物与水体在短距离、短时间内形成垂向上的均匀混合，与实际水域的污染扩散不相符问题；市场上也没有研究复杂岸坡污染扩散的实验设备或者器材，实验室使用的底坡不变的模型，与现实中底坡变化复杂的河流、水库不符，难以解决科学发展过程中的前沿技术问题；中国专利201010277823.0(申请日为2010年9月1日)公布了一种立面变角度二维污染扩散实验装置，盒式结构的立面变角度水槽上部开口，底面及左、右、后各立面之间交合处分别用防水强力胶粘接，水槽外立面为自由拆装式结构，上部设置有进水阀门与外围的供水箱连通，底部右下角安装有放水阀门，水槽外立面安装后再用槽钢框架及螺丝紧固，各立面交合处用角钢加固，角钢与角钢之间焊接，斜板将立面变角度水槽分隔为上、下两部分，斜板的下部设有固定斜板的装置，立面变角度水槽右立面内部设置有海绵吸附装置；其在较深水域进行实验时，受到前、后立面总水压力作用后易发生轻微变形，使水槽前、后立面与倾斜底面之间的胶粘接产生分离、形成缝隙、发生位移和倾斜底面的扭曲变形，隔板边缘出现药剂泄漏的现象，破坏了实验装置的整体性，影响了实验参数的几何精度、药剂的守恒性和实验成功率。因此，研发一种在实验过程中能确保复杂岸坡模型整体性、实验参数精确性和药剂守恒性的岸坡模型污染扩散实验装置，解决新兴学科的关键技术问题，有着广阔的发展前景和应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发一种在实验过程中能确保复杂岸坡模型整体性、实验参数精确性和药剂守恒性的槽中槽结构的复杂岸坡模型污染扩散实验装置。

为了实现上述目的，本发明的主体结构由外水槽与基础底座单元、内水槽与加药箱单元和格栅与机械传动单元三个部分组合而成，包括外水槽、基础底座、插板槽、外水槽左立面、外水槽右立面、外水槽前立面、外水槽后立面、槽钢框架、螺栓、排水孔、支撑楔、支撑柱、角钢、进水孔、外水槽底面、不锈钢螺丝、内水槽、加药箱、内水槽前立面、内水槽后立面、内水槽右立面、内水槽底面、岸坡、插板、连通孔、格栅、包边、滑轨、滑块、连杆、偏心轮、电机、联轴器、第一螺丝、固定钢筋、第二螺丝、钢筋连杆和连接轴；在外水槽与基础底座单元中，外水槽包括外水槽左立面、外水槽右立面、外水槽前立面、外水槽后立面和外水槽底面，外水槽的顶部开口，外水槽左立面的上部凸出并开设进水孔，外水槽右立面的下部开设排水孔，外水槽后立面和自由拆装的外水槽前立面分别通过涂刷有防锈漆的槽钢框架和角钢固定，槽钢框架与角钢焊接式连接，外水槽底面通过不锈钢螺丝与基础底座固定连接，外水槽底面与外水槽左立面、外水槽右立面和外水槽后立面的交界处、外水槽后立面与外水槽左立面和外水槽右立面的交界处均通过防水强力胶粘接，插装在外水槽左立面和外水槽右立面之间的外水槽前立面与外水槽左立面、外水槽右立面和外水槽底面的交界处均通过防水胶皮密封，外水槽通过螺栓与墙面固定连接；在内水槽与加药箱单元中，内水槽包括内水槽前立面、内水槽后立面、内水槽右立面和内水槽底面，内水槽的顶部开口，内水槽的左上部凸出部分构成加药箱，内水槽与加药箱之间置有插板分隔，内水槽的凸出部分内侧壁上制有供插板插拔的插板槽，内水槽底面由三块有机玻璃板通过防水强力胶粘接构成，岸坡由直径140mm的有机玻璃管截取弦长为100mm，宽度与内水槽底面宽度相等的圆弧构成，6-8块岸坡均匀粘接在内水槽底面上，以便于模拟天然河流、水库的复杂岸坡水域环境；内水槽底面靠近内水槽右立面的一端开设连通孔，连通孔与外水槽和内水槽连通，外水槽和内水槽处于同一压力，内水槽底面的下面分别固定粘接有支撑楔和支撑柱，支撑楔与外水槽左立面固定粘接，支撑柱通过不锈钢螺丝与外水槽底面连接，内水槽底面与内水槽前立面、内水槽后立面、加药箱的左侧面和内水槽右立面的交界处、内水槽前立面与加药箱的左侧面和内水槽右立面的交界处、内水槽后立面与加药箱的左侧面和内水槽右立面的交界处均通过防水强力胶固定粘接；在格栅与机械传动单元中，格栅为不锈钢条正交隔条编织构成的网状结构，格栅的周边通过包边封闭加固，以防止格栅的边缘破坏内水槽内壁，钢筋连杆的一端通过绑扎带与格栅的上部连接，钢筋连杆的另一端通过第一螺丝与滑块连接，滑块与连杆固定连接，连杆的另一端与偏心轮固定连接，电机通过与其适配的联轴器与偏心轮连接，电机通过连接轴与位于外水槽后立面一侧的槽钢框架顶部固定连接，电机固定于外水槽顶部中心处，滑轨的两端与涂刷有防锈漆的钢筋固定连接，滑轨在内水槽的上部并与内水槽的顶面横向中轴线平行，滑轨中有与其配合的滑块。

本发明涉及的岸坡模型污染扩散实验装置使用时，首先安装岸坡模型污染扩散实验装置，把放置有格栅的内水槽装入外水槽中，插装外水槽前立面并用防水胶皮密封外水槽前立面与外水槽左立面、外水槽右立面和外水槽底面的交界处，将用角钢焊接加固的槽钢框架套制在外水槽外部，将槽钢框架固定连接电机的一侧置于外水槽后立面一侧，槽钢框架通过不锈钢螺丝与基础底座连接，提起格栅，通过绑扎带将格栅和钢筋连杆连接，通过螺栓将外水槽与建筑墙面固定连接，以增加其结构稳定性，防止外水槽在实验过程中晃动；然后从后到前依次布置光源、岸坡模型污染扩散实验装置、摄像机和计算机，从进水孔向外水槽注水，水通过连通孔进入内水槽，外水槽和内水槽处于同一水域环境，开启电机并根据实验要求设定其转速，电机通过偏心轮带动滑块在滑轨上产生位移，滑块产生的位移通过钢筋连杆带动格栅在内水槽中作水平匀速往复运动，格栅在水平运动过程中与内水槽中的水体的水平面垂直且在最大振幅处不接触内水槽的槽壁，格栅运动10-15分钟后内槽水中的水体形成紊流条件，在加药箱中加入示踪药剂，拿掉插板，用摄像机采集示踪药剂进入内水槽后的扩散瞬时图像，最后将采集到的示踪剂扩散瞬时图像传输到计算机上进行数据分析和处理，通过图像处理软件将示踪药剂的二维浓度场以浓度线图的形式输出在显示器上；实验结束后，模拟其他复杂岸坡水域环境时，首先打开排水孔放掉外水槽和内水槽中的实验用水，然后取下槽钢框架和外水槽前立面，除去绑扎带后拿出内水槽和格栅，更换其他复杂岸坡需要的内水槽和格栅，每次更换内水槽和格栅时，对岸坡模型污染扩散实验装置进行整体检修，在滑块与滑轨之间涂抹润滑油以减少阻力。

本发明涉及的岸坡模型污染扩散实验装置中，外水槽、内水槽和加药箱均为有机玻璃材质，外水槽的内壁与内水槽的外壁之间相距10-15mm，外水槽为内水槽提供静止水域条件，内水槽内外均充满水保证内外水压平衡，格栅的尺寸小于内水槽的尺寸并根据实验角度和岸坡复杂程度变化，模拟自然水域中污染物横向与垂向扩散系数不相等的紊流条件，示踪药剂的扩散在内水槽中完成，以避免示踪药剂泄漏，保证实验结果的准确性。

本发明与现有技术相比，采用在内水槽外侧套制外水槽的槽中槽结构，内水槽内部模拟复杂岸坡水域且底部开设连通孔使其内外部所受压力相同，内水槽内部使用振荡格栅模拟紊流水体环境，防水密封的外水槽承受结构压力并为内水槽提供安装空间、为实验模型提供静止水域的环境条件；其结构简单，操作方便，在实验过程中能保持复杂岸坡模型整体性、实验参数精确性和药剂守恒性，提高实验成功率。

附图说明：

图1为本发明的外水槽与基础底座的主体结构原理示意图。

图2为本发明的内水槽与加药箱的主体结构原理示意图。

图3为本发明的格栅与机械传动单元的主体结构原理示意图。

图4为本发明的偏心轮与配件的主体结构原理示意图。

图5为本发明的实验过程原理示意框图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的岸坡模型污染扩散实验装置的主体结构由外水槽与基础底座单元、内水槽与加药箱单元和格栅与机械传动单元三个部分组合而成，包括外水槽1、基础底座2、插板槽3、外水槽左立面4、外水槽右立面5、外水槽前立面6、外水槽后立面7、槽钢框架8、螺栓9、排水孔10、支撑楔11、支撑柱12、角钢13、进水孔14、外水槽底面15、不锈钢螺丝16、内水槽17、加药箱18、内水槽前立面19、内水槽后立面20、内水槽右立面21、内水槽底面22、岸坡23、插板24、连通孔25、格栅26、包边27、滑轨28、滑块29、连杆30、偏心轮31、电机32、联轴器33、第一螺丝34、固定钢筋35、第二螺丝36、钢筋连杆37和连接轴38；在外水槽与基础底座单元中，外水槽1包括外水槽左立面4、外水槽右立面5、外水槽前立面6、外水槽后立面7和外水槽底面15，外水槽1的顶部开口，外水槽左立面4的上部凸出并开设进水孔14，外水槽右立面5的下部开设排水孔10，外水槽后立面7和自由拆装的外水槽前立面6分别通过涂刷有防锈漆的槽钢框架8和角钢13固定，槽钢框架8与角钢13焊接式连接，外水槽底面15通过不锈钢螺丝16与基础底座2固定连接，外水槽底面15与外水槽左立面4、外水槽右立面5和外水槽后立面7的交界处、外水槽后立面7与外水槽左立面4和外水槽右立面5的交界处均通过防水强力胶粘接，插装在外水槽左立面4和外水槽右立面5之间的外水槽前立面6与外水槽左立面4、外水槽右立面5和外水槽底面15的交界处均通过防水胶皮密封，外水槽1通过螺栓9与墙面固定连接；在内水槽与加药箱单元中，内水槽17包括内水槽前立面19、内水槽后立面20、内水槽右立面21和内水槽底面22，内水槽17的顶部开口，内水槽17的左上部凸出部分构成加药箱18，内水槽17与加药箱18之间置有插板24分隔，内水槽17的凸出部分内侧壁制有供插板24插拔的插板槽3，内水槽底面22由三块有机玻璃板使用防水强力胶粘接而成，岸坡23由直径140mm的有机玻璃管截取弦长为100mm，宽度与内水槽底面22宽度相等的圆弧构成，6-8块岸坡23均匀粘接在内水槽底面22上，以便于模拟天然河流、水库的复杂岸坡水域环境；内水槽底面22靠近内水槽右立面21的一端开设连通孔25，连通孔25与外水槽1和内水槽17连通，外水槽1和内水槽17处于同一压力，内水槽底面22的下面分别固定粘接有支撑楔11和支撑柱12，支撑楔11与外水槽左立面4固定粘接，支撑柱12使用不锈钢螺丝16与外水槽底面15连接，内水槽底面22与内水槽前立面19、内水槽后立面20、加药箱18的左侧面和内水槽右立面21的交界处、内水槽前立面19与加药箱18的左侧面和内水槽右立面21的交界处、内水槽后立面20与加药箱18的左侧面和内水槽右立面21的交界处均通过防水强力胶固定粘接；在格栅与机械传动单元中，格栅26为不锈钢条正交隔条编织构成的网状结构，格栅26的周边通过包边27封闭加固，以防止格栅26的边缘破坏内水槽17内壁，钢筋连杆37的一端通过绑扎带36与格栅26的上部连接，钢筋连杆37的另一端通过第一螺丝34与滑块29连接，滑块29与连杆30固定连接，连杆30的另一端与偏心轮31固定连接，电机32通过与其适配的联轴器33与偏心轮31连接，电机32通过连接轴38与位于外水槽后立面7一侧的槽钢框架8顶部固定连接，电机32固定于外水槽1顶部中心处，滑轨28的两端与涂刷有防锈漆的钢筋35固定连接，滑轨28在内水槽17的上部并与内水槽17的顶面横向中轴线平行，滑轨28中有与其配合的滑块29。

本实施例涉及的岸坡模型污染扩散实验装置使用时，首先安装岸坡模型污染扩散实验装置，把放置有格栅26的内水槽17装入外水槽1中，插装外水槽前立面6并用防水胶皮密封外水槽前立面6与外水槽左立面4、外水槽右立面5和外水槽底面15的交界处，将用角钢13焊接加固的槽钢框架8套制在外水槽1外部，将槽钢框架8固定连接电机32的一侧置于外水槽后立面7一侧，槽钢框架8通过不锈钢螺丝16与基础底座2连接，提起格栅26，通过绑扎带36将格栅26和钢筋连杆37连接，通过螺栓9将外水槽1与建筑墙面固定连接，以增加其结构稳定性，防止外水槽1在实验过程中晃动；然后从后到前依次布置光源、岸坡模型污染扩散实验装置、摄像机和计算机，从进水孔14向外水槽1注水，水通过连通孔25进入内水槽17，外水槽1和内水槽17处于同一水域环境，开启电机32并根据实验要求设定其转速，电机32通过偏心轮31带动滑块29在滑轨28上产生位移，滑块29产生的位移通过钢筋连杆37带动格栅26在内水槽17中作水平匀速往复运动，格栅26在水平运动过程中与内水槽17中的水体的水平面垂直且在最大振幅处不接触内水槽17的槽壁，格栅26运动10-15分钟后内槽水17中的水体形成紊流条件，在加药箱18中加入示踪药剂，拿掉插板24，用摄像机采集示踪药剂进入内水槽17后的扩散瞬时图像，最后将采集到的示踪剂扩散瞬时图像传输到计算机上进行数据分析和处理，通过图像处理软件将示踪药剂的二维浓度场以浓度线图的形式输出在显示器上；实验结束后，模拟其他复杂岸坡水域环境时，首先打开排水孔10放掉外水槽1和内水槽17中的实验用水，然后取下槽钢框架8和外水槽前立面6，除去绑扎带36后拿出内水槽17和格栅26，更换其他复杂岸坡需要的内水槽17和格栅26，每次更换内水槽17和格栅26时，对岸坡模型污染扩散实验装置进行整体检修，在滑块29与滑轨28之间涂抹润滑油以减少阻力。

本实施例涉及的岸坡模型污染扩散实验装置中，外水槽1、内水槽17和加药箱18均为有机玻璃材质，外水槽1的内壁与内水槽17的外壁之间相距10-15mm，外水槽1为内水槽17提供静止水域条件，内水槽17内外均充满水保证内外水压平衡，格栅26的尺寸小于内水槽17的尺寸并根据实验角度和岸坡复杂程度变化，模拟自然水域中污染物横向与垂向扩散系数不相等的紊流条件，示踪药剂的扩散在内水槽17中完成，以避免示踪药剂泄漏，保证实验结果的准确性。

实施例2：

本实施例涉及的岸坡模型污染扩散实验装置结构及其实验步骤同实施例1，其具体设计参数为外水槽1采用15mm的有机玻璃板材质，其长×宽×高＝2160mm×180mm×1900mm，凸出部分长×宽×高＝200mm×180mm×260mm；基础底座2采用不锈钢板材质，其长×宽×高＝2200mm×450mm×100mm；槽钢框架8采用80mm的槽钢材质，槽钢框架8和角钢13均涂刷防锈漆；内水槽17采用10mm的有机玻璃板材质，其长×宽×高＝2130mm×130mm×1800mm；加药箱18采用有机玻璃板材质，其长×宽×高＝170mm×130mm×250mm，插板24高300mm；格栅26的角度和厚度分别为30°和8mm，栅孔之间距离为60mm，格栅26的顶部低于内水槽17的顶部100mm，格栅26的底部高于内水槽17的底部50mm，格栅26的其余尺寸根据实验角度和复杂岸坡水域条件确定，格栅26的振幅为100-150mm；滑轨28的长度为180-200mm；电机32的电压和功率分别为220V和500W，其转速为0-60r/min；光源为外形尺寸与外水箱1相等的钢结构框架箱体，箱体的外部覆盖白色幕布，箱体的内部均匀排列4-6根LED白色灯管。

Claims (3)

1.一种岸坡模型污染扩散实验装置，其特征在于主体结构由外水槽与基础底座单元、内水槽与加药箱单元和格栅与机械传动单元三个部分组合而成，包括外水槽、基础底座、插板槽、外水槽左立面、外水槽右立面、外水槽前立面、外水槽后立面、槽钢框架、螺栓、排水孔、支撑楔、支撑柱、角钢、进水孔、外水槽底面、不锈钢螺丝、内水槽、加药箱、内水槽前立面、内水槽后立面、内水槽右立面、内水槽底面、岸坡、插板、连通孔、格栅、包边、滑轨、滑块、连杆、偏心轮、电机、联轴器、第一螺丝、固定钢筋、第二螺丝、钢筋连杆和连接轴；在外水槽与基础底座单元中，外水槽包括外水槽左立面、外水槽右立面、外水槽前立面、外水槽后立面和外水槽底面，外水槽的顶部开口，外水槽左立面的上部凸出并开设进水孔，外水槽右立面的下部开设排水孔，外水槽后立面和自由拆装的外水槽前立面分别通过涂刷有防锈漆的槽钢框架和角钢固定，槽钢框架与角钢焊接式连接，外水槽底面通过不锈钢螺丝与基础底座固定连接，外水槽底面与外水槽左立面、外水槽右立面和外水槽后立面的交界处、外水槽后立面与外水槽左立面和外水槽右立面的交界处均通过防水强力胶粘接，插装在外水槽左立面和外水槽右立面之间的外水槽前立面与外水槽左立面、外水槽右立面和外水槽底面的交界处均通过防水胶皮密封，外水槽通过螺栓与墙面固定连接；在内水槽与加药箱单元中，内水槽包括内水槽前立面、内水槽后立面、内水槽右立面和内水槽底面，内水槽的顶部开口，内水槽的左上部凸出部分构成加药箱，内水槽与加药箱之间置有插板分隔，内水槽的凸出部分内侧壁上制有供插板插拔的插板槽，内水槽底面由三块有机玻璃板通过防水强力胶粘接构成，岸坡由直径140mm的有机玻璃管截取弦长为100mm，宽度与内水槽底面宽度相等的圆弧构成，6-8块岸坡均匀粘接在内水槽底面上，以便于模拟天然河流、水库的复杂岸坡水域环境；内水槽底面靠近内水槽右立面的一端开设连通孔，连通孔与外水槽和内水槽连通，外水槽和内水槽处于同一压力，内水槽底面的下面分别固定粘接有支撑楔和支撑柱，支撑楔与外水槽左立面固定粘接，支撑柱通过不锈钢螺丝与外水槽底面连接，内水槽底面与内水槽前立面、内水槽后立面、加药箱的左侧面和内水槽右立面的交界处、内水槽前立面与加药箱的左侧面和内水槽右立面的交界处、内水槽后立面与加药箱的左侧面和内水槽右立面的交界处均通过防水强力胶固定粘接；在格栅与机械传动单元中，格栅为不锈钢条正交隔条编织构成的网状结构，格栅的周边通过包边封闭加固，以防止格栅的边缘破坏内水槽内壁，钢筋连杆的一端通过绑扎带与格栅的上部连接，钢筋连杆的另一端通过第一螺丝与滑块连接，滑块与连杆固定连接，连杆的另一端与偏心轮固定连接，电机通过与其适配的联轴器与偏心轮连接，电机通过连接轴与位于外水槽后立面一侧的槽钢框架顶部固定连接，电机固定于外水槽顶部中心处，滑轨的两端与涂刷有防锈漆的钢筋固定连接，滑轨在内水槽的上部并与内水槽的顶面横向中轴线平行，滑轨中有与其配合的滑块。

2.根据权利要求1所述的岸坡模型污染扩散实验装置，其特征在于使用时，首先安装岸坡模型污染扩散实验装置，把放置有格栅的内水槽装入外水槽中，插装外水槽前立面并用防水胶皮密封外水槽前立面与外水槽左立面、外水槽右立面和外水槽底面的交界处，将用角钢焊接加固的槽钢框架套制在外水槽外部，将槽钢框架固定连接电机的一侧置于外水槽后立面一侧，槽钢框架通过不锈钢螺丝与基础底座连接，提起格栅，通过绑扎带将格栅和钢筋连杆连接，通过螺栓将外水槽与建筑墙面固定连接，以增加其结构稳定性，防止外水槽在实验过程中晃动；然后从后到前依次布置光源、岸坡模型污染扩散实验装置、摄像机和计算机，从进水孔向外水槽注水，水通过连通孔进入内水槽，外水槽和内水槽处于同一水域环境，开启电机并根据实验要求设定其转速，电机通过偏心轮带动滑块在滑轨上产生位移，滑块产生的位移通过钢筋连杆带动格栅在内水槽中作水平匀速往复运动，格栅在水平运动过程中与内水槽中的水体的水平面垂直且在最大振幅处不接触内水槽的槽壁，格栅运动10-15分钟后内槽水中的水体形成紊流条件，在加药箱中加入示踪药剂，拿掉插板，用摄像机采集示踪药剂进入内水槽后的扩散瞬时图像，最后将采集到的示踪剂扩散瞬时图像传输到计算机上进行数据分析和处理，通过图像处理软件将示踪药剂的二维浓度场以浓度线图的形式输出在显示器上；实验结束后，模拟其他复杂岸坡水域环境时，首先打开排水孔放掉外水槽和内水槽中的实验用水，然后取下槽钢框架和外水槽前立面，除去绑扎带后拿出内水槽和格栅，更换其他复杂岸坡需要的内水槽和格栅，每次更换内水槽和格栅时，对岸坡模型污染扩散实验装置进行整体检修，在滑块与滑轨之间涂抹润滑油以减少阻力。

3.根据权利要求1所述的岸坡模型污染扩散实验装置，其特征在于所述外水槽、内水槽和加药箱均为有机玻璃材质，外水槽的内壁与内水槽的外壁之间相距10-15mm，外水槽为内水槽提供静止水域条件，内水槽内外均充满水保证内外水压平衡，格栅的尺寸小于内水槽的尺寸并根据实验角度和岸坡复杂程度变化，模拟自然水域中污染物横向与垂向扩散系数不相等的紊流条件，示踪药剂的扩散在内水槽中完成，以避免示踪药剂泄漏，保证实验结果的准确性。