CN105780718B - 一种基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置。目的是提供的装置能够产生高蓄能的涌潮潮头，并能方便地控制涌潮在传输过程中的行进速度和高度，进而能够模拟整个潮汐的涨落潮过程。技术方案是：一种基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，包括上游供水池、上游储水池、下游供水池、位于下游供水池下边的下游储水池以及两端分别连通上游供水池和下游供水池的实验水槽；涌潮过程模拟装置还包括设置在上游储水池上部的弧形阀门、分别设置在上游储水池和下游储水池中的若干个水泵、布置在上游供水池与上游储水池之间的水流过道中的至少两层消能板以及布置在下游供水池与下游储水池之间的水流过道中的至少两层消能板。

Description

一种基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置

技术领域

本发明属于河口海岸物理模型实验领域，具体涉及一种基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置。

背景技术

涌潮是水位骤然上升的涨潮波前峰，是一定条件下潮波非线性畸变的结果。它是一些强潮河口的主要动力因素，对河口的河床演变、盐水上溯、污染物扩散等，甚至对整个河口环境有着举足轻重的影响。在河口海岸学的研究中，物理模型实验是研究涌潮现象的重要手段之一。由于涌潮的变化与整个潮汐的涨落过程密切联系，因此，在物理模型试验中，需要涉及一种能够产生高蓄能的涌潮以及包括涌潮在内的整个潮汐涨落过程的模拟方法与装置。

目前，文献见有采用高位水箱蓄水，通过提升闸门使水流从闸门底部涌出形成涌潮，或者控制轴流泵瞬间出水在水槽中形成涌潮，前者由于水箱内水位下降导致涌潮难以持续的问题，后者由于轴流泵设计流量大难以准确控制出水流量导致涌潮试验的重复性难以把握。此外，或因无法提供后续的水量支持，或因涌潮到达水槽另一端池壁时涌潮反射问题无法解决，上述两种方法均不能模拟涌潮过后的后续涨潮以及落潮的过程。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，该装置能够产生高蓄能的涌潮潮头，并能方便地控制涌潮在传输过程中的行进速度和高度，进而能够模拟整个潮汐的涨落潮过程；具有操作方便，控制精度高，实验重复性好的特点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，包括上游供水池、位于上游供水池外侧的上游储水池、下游供水池、位于下游供水池下边的下游储水池以及两端分别连通上游供水池和下游供水池的实验水槽；其特征在于所述涌潮过程模拟装置还包括设置在上游储水池上部的弧形阀门、分别设置在上游储水池和下游储水池中的若干个水泵、布置在上游供水池与上游储水池之间的水流过道中的至少两层消能板以及布置在下游供水池与下游储水池之间的水流过道中的至少两层消能板。

下游供水池连接实验水槽的前侧底板从左至右由竖直面再通过逐渐抬升的斜面过渡为水平面，下游供水池平面宽度从斜面部位开始收缩，至斜面结束时逐渐收缩至实验水槽的宽度，从而再造了喇叭型的河口口门和逐渐抬高的地形，为形成涌潮创造了条件。

所述的下游储水池通过地下回水渠或地下水库连通上游储水池，以实现试验水源的连续供应和循环使用。

所述的消能板上均匀排列有透水用的小孔，小孔密度设置为小孔总面积占消能板面积的3/6—5/6；为达到较好的消能效果，所述至少两层消能板上下间隔一定距离布置且覆盖水流过道截面。

所述的供水水泵由变频调速器控制，供水水泵的出水分别通过上游供水池和下游供水池预留的供水水泵出水孔送入相应的供水池。

所述的上游供水池的后壁与实验水槽的底面等高。

所述的上游储水池位于上游供水池的外侧。

所述的弧形闸门由钢支架和弧形钢板构成，可绕水平布置的圆心轴转动，圆心轴固定在上游储水池两侧的池壁上，弧形闸门由拉杆控制转动角度；弧形闸门的外缘与上游供水池的后壁相切。

所述的闸门启闭控制装置由交流伺服电机及其控制器组成，安装在上游储水池边壁的顶部，通过连接在弧形钢板两侧的拉杆，控制弧形闸门的开启和关闭。

所述的拉杆是连接在弧形闸门和闸门启闭控制装置之间的金属杆，在弧形闸门两侧对称设置。

所述的实验水槽采用密封玻璃和钢框架构成。

所述的水槽基础为混凝土结构，水槽基础与上下游储水池的混凝土结构相连。

本发明的原理是：利用变频调速的供水水泵向上下游供水池中供水，调节弧形闸门高度使水槽内达到预定的潮前水深；生潮开始时，下游储水池内的供水水泵瞬间启动达到预定的较大出水流量，在下游供水池内形成涌潮进入水槽，而后逐步调节供水水泵的出水流量满足后续的涨潮过程的需水水量；当涌潮到达上游供水池时，弧形闸门关闭，涌潮水流将越过上游供水池的后壁进入上游储水池，而后逐步抬升弧形闸门的开启高度，配合下游的涨潮来水，实现实验水槽内的涌潮及后续的涨潮过程的模拟；当实验水槽内的水位达到最高潮位，潮汐过程将由涨潮转为落潮，此时，上游储水池内的供水水泵将逐步加大出水流量，相反，下游储水池内的供水水泵将逐步减少出水流量，并通过弧形闸门开启高度的配合，实现实验水槽内的落潮过程的模拟。上述的供水水泵的供水、弧形闸门启闭及开启高度均由计算机软件发出指令来控制。

本发明的有益效果是：较好地再造了生成涌潮的条件，喇叭口状的河口口门和逐渐抬高的地形在本发明中通过收缩的下游供水池平面宽度和逐步抬升的底板斜面来体现；本发明能灵活控制生成涌潮的强弱和特性，并通过上下游供水水泵的供水调度配合弧形闸门开启高度，能够实现各种条件下包括涌潮在内的整个潮汐涨落过程的模拟；该方法控制部分通过计算机软件给出指令来实现，操作简便，控制精度高，容易调度，且生潮装置构筑简单，低耗环保可重复试验。

附图说明

图1本发明的主视结构示意图。

图2本发明的俯视结构示意图。

图中1下游供水池、2下游储水池、3消能板、4供水水泵、5实验水槽、6水槽基础、7上游供水池、7-1上游供水池底板、7-2上游供水池后壁、8上游储水池、9弧形闸门、10下游供水池前侧底板、11下游供水池后侧底板、12闸门启闭控制装置、13拉杆。

具体实施方式

本发明利用多台水泵变频调速的方法进行供水，采用调节弧形闸门的启闭解决涌潮碰到池壁时的反射问题，通过上下游储水池内的供水水泵供水调节结合弧形闸门相对提升高度，进行涨落潮过程的模拟。上述的闸门启闭与开启高度、水泵的供水控制等由计算机软件设定相关参数并给出指令来实现，操作方便，控制精度高，实验重复性好，能较好地模拟接近自然条件下的涌潮以及后续的涨落潮过程。

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明，但它们并不构成对本发明的限制。

本发明所述的下游供水池1由混凝土构筑，下游供水池的前侧底板10从左至右由竖直面再通过逐渐抬升的斜面过渡为水平面，该水平面与实验水槽5的槽底平齐；下游供水池平面宽度从斜面部位开始收缩，至斜面结束时逐渐收缩至实验水槽的宽度；下游供水池后侧底板11上预留有若干个供水水泵的出水孔。

所述的下游储水池2由混凝土构筑，主体位于下游供水池的下边；下游储水池试验时需保持一定的水位，以满足安装在下游储水池内的供水水泵4正常工作；下游储水池通过地下水库或地下回水渠(图中省略)连通上游储水池8。

所述的上游供水池7与上游储水池8之间至少布置两层上下间隔一定距离(推荐30-50cm)的消能板3，下游供水池1与下游储水池2之间至少布置两层上下间隔一定距离(推荐30-50cm)的消能板3；所述的消能板由PVC材料或其它挡水材料制作，板上均匀排列有透水用的多个小孔，孔密度设置以小孔总面积占消能板面积的3/6—5/6(优选2/3)为宜，小孔孔径的大小可根据需要确定(优选为10mm)；消能板分别安装在下游供水池与下游储水池的水流过道中，以及上游供水池与上游储水池之间的水流过道中；每层需多块消能板平行铺设，完全覆盖下游供水池后侧底板11和上游供水池底板7-1(即覆盖水流过道的截面)。

所述的若干个供水水泵4为潜水泵，分别安装在下游储水池2和上游储水池8内，由变频调速器控制；供水水泵的出水通过下游供水池后侧底板11和上游供水池底板7-1预留的供水水泵出水孔分别送入下游供水池1和上游供水池7内；供水水泵的规格根据实验需要选择，试验时多台供水水泵配合供水。

所述的实验水槽5采用密封玻璃和钢框架构成，与下游供水池1和上游供水池7无缝对接；实验水槽的具体尺寸根据实验室条件和实验规模等来确定。

所述的水槽基础6是混凝土结构，位于实验水槽5的下部；水槽基础与下游储水池2和上游储水池8的混凝土结构相连。

所述的上游供水池7采用混凝土结构构筑并与实验水槽5连接，上游供水池后壁7-2与实验水槽的底面等高；上游供水池7-1的底板预留有供水水泵出水孔，出水孔的大小和数量根据实验规模和水泵规格等来确定。

所述的上游储水池8位于上游供水池7的外侧；上游储水池试验时需保持一定的水位，以满足安装在上游储水池内的供水水泵4正常工作；上游储水池通过地下水库或地下回水渠连通下游储水池2。

所述的弧形闸门9安装在上游储水池8的上部；弧形闸门由钢支架和弧形钢板构成，钢支架能够围绕弧形钢板的圆心轴转动，水平布置的圆心轴固定在上游储水池两侧的池壁上；弧形闸门由连接在弧形钢板两侧的拉杆13转动；弧形钢板的外缘与上游供水池后壁7-2相切，两个端部分别与两侧的池壁贴合，以尽可能减少接触部位的水流泄漏。

所述的闸门启闭控制装置12由交流伺服电机及其控制器组成(可外购)，通过拉杆13与弧形闸门9一侧的边缘连接，可用于调节弧形闸门的开启幅度和关闭。

所述的拉杆13为两端分别可活动连接(如铰接)弧形闸门9和闸门启闭控制装置12之间的金属杆，在弧形闸门两侧对称设置。

本发明的使用过程是：

该涌潮过程模拟装置由计算机软件实现自动控制与数据信息的采集，即计算机软件通过程序控制变频调速器、闸门启闭控制装置等，实时采集整个试验过程的水位、流速等信息。为了提高水边界的控制精度，计算机软件引入了自动跟踪控制技术，根据边界水力要素的实测值与实验预定值的误差，实时调整变频调速器的输出频率，进而控制供水水泵的出水流量，实现了水槽边界的水力要素变化过程与实验预定值相一致。

1、检查变频调速器、供水水泵、弧形闸门、闸门启闭控制装置、消能板等装置是否完好，检查储水池内水深是否满足水泵工作的要求，各设备完好准备实验。

2、做好实验前的准备，在计算机软件中输入给定的水边界水力要素、弧形闸门启闭等控制参数；启动上下游储水池内的供水泵，抬升弧形闸门，使实验水槽内达到预定的潮前水深。

3、启动计算机软件中的生潮模式，生潮开始时，下游储水池内的供水水泵在计算机软件的指令下瞬间启动达到预定的较大出水流量，在下游供水池内形成涌潮进入实验水槽，而后按计算机软件的指令，逐步调节供水水泵的出水流量满足后续的涨潮过程的需水水量。

4、当涌潮到达上游供水池时，弧形闸门关闭，涌潮水流越过上游供水池的后壁进入上游储水池，而后逐步抬升弧形闸门的开启高度，配合下游的涨潮来水，实现实验水槽内的涌潮及后续的涨潮过程的模拟；

5、当实验水槽内的水位上升到最高潮位时，潮汐过程将由涨潮转为落潮，此时，上游储水池内的供水水泵在计算机软件的指令下逐步加大出水流量；相反，下游储水池内的供水水泵逐步减少出水流量，并通过弧形闸门开启高度的配合，实现实验水槽内的落潮过程的模拟。

6、当实验水槽内的水位下降到最低潮位时，在计算机软件的指令下自动重复上述的涌潮形成、后续的涨潮过程、落潮过程等模拟。

需要说明的是：对于所属领域的技术人员来说，在不改变本发明原理的前提下还可以对本发明做出若干改变或变形，这同样属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，包括上游供水池(7)、位于上游供水池外侧的上游储水池(8)、下游供水池(1)、位于下游供水池下边的下游储水池(2)以及两端分别连通上游供水池和下游供水池的实验水槽(5)；其特征在于所述涌潮过程模拟装置还包括设置在上游储水池上部的弧形阀门(9)、分别设置在上游储水池和下游储水池中的若干个水泵(4)、布置在上游供水池与上游储水池之间的水流过道中的至少两层消能板(3)以及布置在下游供水池与下游储水池之间的水流过道中的至少两层消能板；下游供水池连接实验水槽的前侧底板(10)从左至右由竖直面再通过逐渐抬升的斜面过渡为水平面，其平面宽度从斜面部位开始收缩，至斜面结束时逐渐收缩至实验水槽的宽度。

2.根据权利要求1所述的基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，其特征在于：所述的下游储水池通过地下回水渠或地下水库连通上游储水池，以实现试验水源的连续供应和循环使用。

3.根据权利要求2所述的基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，其特征在于：所述的消能板上均匀排列有透水用的小孔，小孔密度设置为小孔总面积占消能板面积的3/6—5/6；所述至少两层消能板上下间隔一定距离布置且覆盖水流过道截面。

4.根据权利要求2或3所述的基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，其特征在于：所述水泵由变频调速器控制，水泵的出水分别通过上游供水池和下游供水池预留的水泵出水孔送入相应的供水池。

5.根据权利要求4所述的基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，其特征在于：所述的上游供水池的后壁(7-2)与实验水槽的底面等高。

6.根据权利要求5所述的基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，其特征在于：所述的弧形闸门由钢支架和弧形钢板构成，可绕水平布置的圆心轴转动，圆心轴固定在上游储水池两侧的池壁上，弧形闸门由拉杆(13)控制转动角度；弧形闸门的外缘与上游供水池的后壁相切。

7.根据权利要求6所述的基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，其特征在于：所述的拉杆是连接弧形闸门与闸门启闭控制装置(12)的金属杆，在弧形闸门两侧对称设置。

8.根据权利要求7所述的基于多台水泵变频调速的涌潮过程模拟装置，其特征在于：所述的闸门启闭控制装置由交流伺服电机及其控制器组成，安装在上游储水池边壁的顶部。