CN105865745B - 一种分层流模拟试验水槽系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分层流模拟试验水槽系统。包括蓄水池，潜水泵，流量计，阀门开关，水槽，液压千斤顶；还包括水槽中位置调节器，可调位置进水口，栅格网，提拉闸门，数字温度链和采样管；及回水冲沙管，水槽外多通道记录仪和泵吸水样采集箱、排水孔高程调节装置和可调位置出水口。该水槽系统结构简单，操作方便；不仅能模拟在入流阶段一开始的分层流，闸流释放下的分层流和进水口在不同深度时的分层流、底坡糙率不同分层流以及不同形态、不同因素导致的分层流运动过程；通过该水槽系统弥补了以往传统分层流试验中模拟分层流类型的单一性，成功地实现了对不同类型分层流模拟的试验水槽系统，并提高了对异重流分析与研究的可靠性和准确性。

Description

一种分层流模拟试验水槽系统

技术领域

本发明涉及一种水利工程中试验水槽系统，特别涉及水环境保护技术中适用于水库的一种分层流模拟试验水槽系统，属于水利水电工程设施领域。

背景技术

当两种、或两种以上密度相差不大、可以相混的流体，因为其比重的差异而发生相对流动，即如果一种流体沿着交界面的方向移动，在流动过程中不与其他流体发生全局性的掺混，这种流动称为分层流。从水利工程中水库方面来看，由于水库内储水量大、水深且水流流速慢，汛期时含有大量细粒泥沙浑浊河水水流潜入蓄有清水的水库中。由于前者的密度较大，在特定水力学条件下，一定时间内，泥沙浑水并不能很快与水库中清水掺混，而在水库清水之间某一深度向下游运动，形成上层清水、下层浑水的两层流动。同样的道理，由于温度或者盐度的不同，使得水体密度不同而分层，即在水体中某一深度产生一股水流，其温度或者盐度比上下水体的密度大，且不与上下水体掺混，从而形成温差分层流或者盐度分层流。

分层流研究对国民经济建设、人民生活和环境保护等方面有着十分重要的作用，利用水沙分层流能将高浓度浑水排泄出水库以延长水库寿命，恢复水库下游河道冲刷平衡；而对温差分层流的研究有助于对珍稀水生生物保护、鱼类养殖与繁殖及农作物灌溉生产等等提供科学依据，这些都是分层流研究的热点和难点问题。

针对上述这些问题，国内外已经给出多种分层流研究的水槽系统，但各水槽系统能够用于研究的分层流问题较单一，即大多只针对于某一种分层流，未能将对各种可能发生的分层流和不同因素影响下的分层流的模拟集于一体，比如，温差-泥沙耦合异重流模拟试验系统，仅仅模拟了泥沙异重流在水温分层水体中在水槽中层与表层进行的现象；不能模拟闸流释放的情况下产生的异重流和进水口在不同深度时产生的各种异重流，并且也不能模拟水体中底坡糙率不同时，对于底层分层流的影响。因此，为满足各类分层流模拟试验研究需求，经本课题组研究设计一种分层流模拟试验水槽系统，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是针对分层流研究现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种分层流模拟试验水槽系统。该试验水槽系统结构简单，操作方便；能模拟在入流阶段一开始就发展的分层流，闸流释放的情况下产生的分层流和进水口在不同深度时产生的分层流，以及模拟底坡糙率不同时，产生的底层分层流现象等；通过该模拟试验水槽系统弥补了以往传统分层流试验中模拟分层流类型的单一性，成功地实现了对不同类型分层流模拟的试验水槽系统，并能提高对异重流分析与研究的可靠性和准确性。

为实现本发明的目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述一种分层流模拟试验水槽系统，包括蓄水池，潜水泵，导管，流量计，阀门开关，水槽，辅助水尺，固定支架及液压千斤顶；按照本发明，还包括回水冲沙管，以及位于水槽中的位置调节器、可调位置进水口、栅格网、提拉闸门、数字温度链和若干采样管，水槽外面安装的多通道记录仪、泵吸水样采集箱、排水孔高程调节装置和可调位置出水口；所述潜水泵置于蓄水池中，回水冲沙管下端置于蓄水池底部，回水冲沙管上端通过安装的第一阀门开关与潜水泵出水管连接，潜水泵出水管通过导管与流量计一端连接，流量计另一端连接导管上安装的第二阀门开关，并通过导管与水槽中位置调节器连接，位置调节器通过导管连接可调位置进水口，其后栅格网位于提拉闸门前面；数字温度链与水槽外设置的多通道记录仪连接，泵吸水样采集箱与各采样管连接，辅助水尺固定于水槽侧壁；所述排水孔高程调节装置和可调位置出水口安装于水槽外末端；潜水泵从蓄水池抽水，水流通过导管再经可调位置进水口流入水槽，通过流量计和第一阀门开关与第二阀门开关的开与关来调节进入到水槽中的水流量大小。

上述技术方案中，所述水槽其主体设计为钢结构，并与可调位置出水口垂直连接，其底部由液压千斤顶支撑，设置的伸缩支架安装在水槽最右端的底部，水槽的壁面设置为钢化玻璃。

上述技术方案中，所述水槽中位置调节器设置为其内壁为螺纹状的螺丝口圆筒，以便对可调位置进水口高度进行调节。

上述技术方案中，所述水槽中可调位置进水口包裹着导管末端，即可调位置进水口包裹在导管末端外面，能在导管末端外面上下滑动，以便与位置调节器配合使用。

上述技术方案中，所述水槽外面的排水孔高程调节装置由玻璃挡板和固定夹组成，其中玻璃挡板的高和宽大于水槽主体钢结构的高和宽并带有排水孔，以便调节排水孔高程。

上述技术方案中，所述水槽外面的与钢结构垂直连接的可调位置出水口设置为有两处可折弯90度的旋转弯管，一处旋转弯管是在可调位置出水口的三分之一处，另一旋转弯管是在可调位置出水口的三分之二处；以便对可调位置出水口的高度进行调节。

上述技术方案中，所述水槽外面的多通道记录仪上连接水槽中的数字温度链，所述数字温度链上设置有若干温度探头，其每间隔2-5cm的距离设置一个温度探头，以确保沿水深方向各段均有温度探头。

上述技术方案中，所述水槽中的栅格网是由横向和竖向隔板构成的网格状隔板，其隔板厚度与隔板间距均可调节，从而达到消除入流波浪、平稳水流目的。

上述技术方案中，所述水槽中设置的提拉闸门为电动快速提拉闸门。

上述技术方案中，所述回水冲沙管沿着蓄水池池底盘绕一周，且沿程设置有若干冲沙管出水口。

本发明所述的数字温度链为数字温度链和数字盐度链两用，需要测量盐度时，可通过切换链以实现对于盐度的测量与记录。

本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统中，所述蓄水池中设置的回水冲沙管能使蓄水池底的物质掺混均匀；所述的可调位置进水口通过位置调节器和导管相连，通过转动与松动位置调节器，从而伸缩可调位置进水口来调节可调位置进水口的高度，然后拧紧位置调节器，从而连接并固定导管和可调位置进水口。所述可调位置出水口与排水孔高程调节装置上的排水孔相接，上下移动排水孔高程调节装置，与其相连接的可调位置出水口随之上下移动，调节到合适位置之后用固定夹将其固定在水槽外壁上；另外，可调位置出水口本身也可通过旋转来调节其高度。在本发明对不同分层形态分层流的研究中，不同工况下对水深有不同的要求，为了保证出流流态，必须使得水槽中可调位置进水口位置在垂直方向上可调；同样水槽中可调位置出水口的位置在垂直方向上以及形状上必须可变；因而设置在可调位置进水口与导管连接处的位置调节器和与可调位置出水口连接的排水孔高程调节装置正好可以满足这一要求。

本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统中，所述的栅格网若改变隔板的间距或者隔板的厚度，可以起到微调水流流速的作用,使得进入水槽的水流平稳且更加均匀的。

本发明所述的分层流模拟试验水槽系统中，所述的提拉闸门是根据水槽实验的需要通过电动快速提拉闸门给水槽中通入浑水、或盐水、高温水；而且在试验过程中根据分层流模拟试验的要求，选择提拉闸门的启闭状态；若研究闸流释放，则等到闸门前的水体水面与闸门后的水体水面齐平时开启闸门，闸门迅速被提起，形成垂直交界面；若直接开启闸门，则可模拟由入流阶段开始发展的分层流现象。另外，若改变闸门的位置，从而实现后续补充量不同的分层流现象的模拟。

本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统中，所述的回水冲沙管上端连接在导管上，下端盘绕在蓄水池底，下端沿程设置了一系列的出水口，包括末端的出水口，水泵将蓄水池中的浑水吸入导管，一部分沿着导管进入水槽中，另一部分通过回水冲沙管沿程设置的出水口又回到蓄水池中，使蓄水池中浑水保持紊动，从而使池底泥沙悬浮，泥沙掺混均匀。

本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统中，所述的数字温度链或数字盐度链与放置于水槽外面的多通道记录仪连接，数字温度链上装有温度探头，用来探测水温的分层情况，若将温度探头换成盐度探头，则可以用来探测盐度沿着水深的变化。因此该水槽系统还能实现模拟对温差异重流和由于盐度产生的异重流。

本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统还能更深入地研究分层流问题，具有重要的科学应用价值和现实的研究意义。

本发明与现有技术相比具有以下优点及有益的技术效果：

1、本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其主体采用钢结构和钢化玻璃，结构稳定，水槽内水流平稳，玻璃壁面便于观测并减少对于流场的影响。

2、本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统，能够模拟闸流释放、入流阶段开始发展的分层流、温度分层流、水库水沙分层流、河口处盐度分层流；实验效果显著，适合推广使用。

3、本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统中设置的回水冲沙管可以增加蓄水池中的紊动，并能随时增加蓄水池中的浑水含沙量。

4、本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统采用石英粉来调配浑水，石英粉粒径小且均一，随流性强，不易发生絮凝现象，且有具有泥沙颗粒的沉降特点，是室内水沙分层流模拟试验优选的模型沙。

5、本发明所述的一种分层流模拟试验水槽系统采用了伸缩式的可调位置进水口和高度可调位置的出水口、坡度调整结构、温度和盐度探测采用数字温度链和盐度链的切换来实现、以及底板糙率变换结构，提高了该试验水槽系统模型的适用性且自动化程度较高，便于单人操作。

附图说明

图1本发明所述一种分层流模拟试验水槽系统整体结构示意图；

图2本发明所述一种分层流模拟试验水槽系统中水槽主体结构示意图；

图3本发明所述一种分层流模拟试验水槽系统中位置调节器和可调位置进水口结构示意图；

图4本发明所述一种分层流模拟试验水槽系统中排水孔高程调节装置和可调位置出水口结构示意图；

图5本发明所述一种分层流模拟试验水槽系统中蓄水池结构示意图。

图中，1蓄水池，2潜水泵，3导管，4流量计，5第一阀门开关，6回水冲沙管，7位置调节器，8可调位置进水口，9栅格网，10提拉闸门，11水槽，12数字温度链，13多通道记录仪，14泵吸水样采集箱，15采样管，16固定支架，17辅助水尺，18排水孔高程调节装置，19可调位置出水口，20液压千斤顶，21钢结构，22钢化玻璃，23固定夹，24排水孔，25冲沙管出水口，26伸缩支架，27第二阀门开关。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着是对本发明保护内容的任何限定，即本发明的内容不仅限于实施例中的所述内容。

本发明所述分层流模拟实验水槽系统的整体结构如图1所示，包括蓄水池1，潜水泵2，导管3，流量计4，阀门开关，水槽11，辅助水尺17，固定支架16，液压千斤顶20；还包括水槽11中的位置调节器7，可调位置进水口8，栅格网9，提拉闸门10，数字温度链12和若干采样管15；以及回水冲沙管6，水槽11外面安装的多通道记录仪13和泵吸水样采集箱14、排水孔高程调节装置18和可调位置出水口19；所述潜水泵2置于蓄水池1中，回流冲沙管6下端置于蓄水池1底部，回水冲沙管6上端通过安装的第一阀门开关5与潜水泵2出水管连接，潜水泵出水管通过导管3与流量计4一端连接，流量计4另一端连接导管3上安装的第二阀门开关27，第二阀门开关27通过导管3与水槽11中的位置调节器7连接，位置调节器7通过导管3连接可调位置进水口8，可调位置进水口8后面的栅格网9位于提拉闸门10前面；水槽中数字温度链12与水槽11外设置的多通道记录仪13连接，泵吸水样采集箱14与各采样管15连接，数字温度链12和各采样管15再用固定支架16固定，辅助水尺17固定于水槽11侧壁；所述排水孔高程调节装置18和可调位置出水口19安装于水槽11外末端。所述潜水泵2从蓄水池1抽水，水流通过导管3再经可调节位置进水口8流入水槽11，通过流量计4和第一阀门开关5与第二阀门开关27调节进入到水槽11的水的流量大小。本图中，水流方向为自左向右。

图2中，所述水槽系统中水槽11的主体结构为钢结构21与底部的液压千斤顶20连接，液压千斤顶20用于支撑固定水槽主体，还用来改变水槽11的坡度以便模拟不同水库的坡度或者同一水库坡度的变化，伸缩支架26安装在水槽11最右端的底部，通过液压千斤顶20调节水槽11的坡度时，伸缩支架26升高或者降低，并用来支撑水槽，水槽11的右端设置可调位置出水口19，水槽11的壁面设置为钢化玻璃22，是为便于观察水槽内的分层流情况。

图3中，所述水槽系统运行前，给水槽11注水时，启动潜水泵2之后，水流沿着导管3通过位置调节器7经过可调位置进水口8进入水槽11，调节可调位置进水口8高度时，首先旋转位置调节器7的螺丝口使其变松，然后上下滑动可调位置进水口8内的导管3末端，调到所需位置之后，再旋转位置调节器7螺丝口将其固定。

图4中，可调位置出水口19的出水口径应满足所述水槽系统最大出流,最大初流为1.6m³/s，但水槽11中水面高度不同时，可通过旋转可调位置出水口19使出水口内液面比水槽11内的液面稍低或者与其在一个水平面。另外，排水孔24的位置也是可调的，排水孔24是排水孔高程调节装置18上的一个孔，其高和宽比水槽11的钢结构21的框架均大，且用固定夹23固定在钢结构21上，若松开固定夹，上下移动排水孔高程调节装置18，排水孔24的高度随之改变，由于可调位置出水口19与排水孔相接，故可调位置出水口19的高度也随之改变，从而调节可调位置出水口19的高度，可调位置出水口19的高度还可以通过旋转其本身进行调节。

图5中，回水冲沙管6沿着蓄水池1池底盘绕一周，沿程设置若干冲沙出水口25，冲沙出水口25的出流可增加蓄水池1的紊动，使蓄水池1中的泥沙掺混均匀。

实施例：

本实施例中，所用水槽11高为1m，长为15m；

所用多通道记录仪13与选用的数字温度链相连接，数字温度链上的温度探头间隔为2cm，共有38个探头；

所用提拉闸门10为电动快速提拉闸门；电动快速提拉闸门在水槽中水流方向上的位置可变，即电动快速提拉闸门到水槽进水端的距离可变；以便调节进行闸流释放分层流试验时的后续浑水补充量，特别适用于模拟闸流释放产生的分层流现象。

所用泵吸水样采集箱14与采用的16根采样管15连接，其取样口的高度间隔为5cm；

本试验可调流量范围为0-1m³/h。

本实施例中所述的分层流模拟试验水槽系统中采用石英粉来调配浑水；而所述水槽底板上可铺设粘连砂石的帆布，所用粘连砂石的粒径与级配不同，则其糙率不同，以便于研究不同库底糙率对于分层流运动规律的影响。

采用本发明所述的分层流模拟试验水槽系统进行水库泥沙分层流模拟试验的过程及操作步骤如下：

试验前，按照图1所示的分层流模拟试验水槽系统结构连接好各仪器及部件。调节水槽11底部的液压千斤顶20，从右至左依次缓慢抬升，使水槽11坡度为0.005，然后调节水槽11底板的糙率，将糙率n调整为0.02，然后固定住伸缩支架26。

首先向蓄水池1中注入清水，打开导管3上的第二阀门开关27，但要关上回水冲沙管6上的第一阀门开关5，开启电动快速提拉闸门10，调节位置调节器7将可调位置进水口8调至水槽11底部，然后打开潜水泵2，清水被吸入水槽11，待水槽11中水面高度达到水槽11深度的四分之三时，即0.75m水深，则关闭潜水泵2。然后向蓄水池1中加入5Kg石英粉，使其与水槽中清水掺混，调节位置调节器7将可调位置进水口8调到一半水深的位置，同时打开回水冲沙管6上的第一阀门开关5，然后打开潜水泵2向水槽11的清水中注入浑水，模拟异重流的产生，此时有一部分浑水通过回水冲沙管6回到蓄水池1使池底泥沙悬浮，泥沙掺混均匀，从浑水前锋运动到各采样管15时起，开启泵吸水样采集箱14采集不同深度的水样，每隔30秒采集一次，分析其含沙量变化，便于后续处理分析，观察浑水前锋的运动过程直至其运动至水槽11末端，可以对泥沙分层流在水体中的前锋厚度、运动速度以及离底点，即分层流前锋离开水槽底部的位置等进行分析。在这个过程中，打开多通道记录仪13，记录不同水深的温度，以便后续分析水温对于泥沙分层流的影响。

本实施例所述泥沙分层流在水槽中的运动过程中，还可利用数码成像技术对浑水运动过程进行记录；最后待浑水运动到水槽末端时，打开可调位置出水口19，旋转可调位置出水口19使出水口中的液面稍低于水槽中的液面，排净水槽中的水。至此，完成一组泥沙分层流试验。

Claims (10)

1.一种分层流模拟试验水槽系统，包括蓄水池（1），潜水泵（2），导管（3），流量计（4），阀门开关，水槽（11），辅助水尺（17），固定支架（16）及液压千斤顶（20）；其特征在于还包括回水冲沙管（6），以及位于水槽（11）中的位置调节器（7）、可调位置进水口（8）、栅格网（9）、提拉闸门（10）、数字温度链（12）和若干采样管，水槽外面安装的多通道记录仪（13）、泵吸水样采集箱（14）、排水孔高程调节装置（18）和可调位置出水口（19）；所述潜水泵（2）置于蓄水池（1）中，回水冲沙管（6）下端置于蓄水池（1）底部，回水冲沙管上端通过安装的第一阀门开关（5）与潜水泵（2）出水管连接，潜水泵（2）出水管通过导管（3）与流量计（4）一端连接，流量计（4）另一端连接导管（3）上安装的第二阀门开关（27），并通过导管与水槽中位置调节器（7）连接，位置调节器通过导管连接可调位置进水口（8），其后栅格网（9）位于提拉闸门（10）前面；数字温度链（12）与水槽外设置的多通道记录仪（13）连接，泵吸水样采集箱（14）与各采样管（15）连接，辅助水尺（17）固定于水槽侧壁；所述排水孔高程调节装置（18）和可调位置出水口（19）安装于水槽外末端；潜水泵从蓄水池抽水，水流通过导管再经可调位置进水口流入水槽，通过流量计和第一阀门开关与第二阀门开关的开与关来调节进入到水槽中的水流量大小。

2.根据权利要求1所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述水槽（11）其主体为钢结构（21），并与可调位置出水口（19）垂直连接，底部由液压千斤顶（20）支撑，设置的伸缩支架（26）安装在水槽（11）最右端的底部，水槽的壁面设置为钢化玻璃（22）。

3.根据权利要求1所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述水槽（11）中的位置调节器（7）设置为其内壁为螺纹状的螺丝口圆筒。

4.根据权利要求1或3所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述水槽（11）中可调位置进水口（8）包裹着导管（3）末端，即可调位置进水口（8）包裹在导管（3）末端外面，能在导管（3）末端外面上下滑动，与位置调节器（7）配合使用。

5.根据权利要求1所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述水槽（11）外面的排水孔高程调节装置（18）由玻璃挡板和固定夹（23）组成，其中玻璃挡板的高和宽大于水槽（11）主体钢结构（21）的高和宽并带有排水孔（24）。

6.根据权利要求1或2所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述水槽（11）外面与钢结构垂直连接的可调位置出水口（19）为有两处可折弯90度的旋转弯管，一处旋转弯管是在可调位置出水口（19）的三分之一处，另一旋转弯管是在可调位置出水口（19）的三分之二处。

7.根据权利要求1所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述水槽（11）外面的多通道记录仪（13）上连接水槽中的数字温度链（12），所述数字温度链（12）上设置有若干温度探头，其每间隔2-5cm的距离设置一个温度探头。

8.根据权利要求1所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述水槽（11）中的栅格网（9）是由横向和竖向隔板构成的网格状隔板，其隔板厚度与隔板间距均可调节。

9.根据权利要求1所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述水槽（11）中设置的提拉闸门（10）为电动快速提拉闸门。

10.根据权利要求1所述的一种分层流模拟试验水槽系统，其特征在于所述回水冲沙管（6）沿着蓄水池（1）池底盘绕一周，且沿程设置有若干冲沙管出水口（25）。