CN106097872B - 用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽 - Google Patents

Abstract

本发明属于水力学实验模型设施，具体涉及一种用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽，包括水槽、闸门、水位控制系统和闸门升降控制系统。水位控制系统包括由工控计算机控制的通过三通管件相连接的注水管、进水管和连接有循环水泵的导水管，以及分别设置于闸门上游水槽和闸门下游水槽内的闸门上游水位计和闸门下游水位计。闸门升降控制系统包括设置在闸门门板正面与电机驱动齿轮相配合的竖直齿条，以及固定架设在在水槽上沿导轨上的升降导轨，设置在闸门门板背面的一对竖直导条在闸门门板升降的过程中，始终配合设置在升降导轨的竖直导槽内。闸门下游水槽内还设有自动风干装置，便于干床实验的开展。本发明稳定、自动、高效。

Description

用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽

技术领域

本发明属于水力学实验模型设施，具体涉及一种用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽。

背景技术

在矩形水槽内以闸门瞬间打开方式来获取瞬间溃坝水体的方法，被用于各种流固耦合实验，其得到的瞬间溃坝水体与其下游结构物的相互作用常被用于模拟海啸上岸、甲板上浪等自然现象。此外，溃坝水体在干床和湿床下表面中的运动实验研究数据常常被用于各种流固耦合数值模型准确性的检验。最早的溃坝水体研究可以追溯到1892年，Ritter发表文章探讨了矩形溃坝水体在干床上运动的自由面问题。1952年Martin 和 Moyce 等人做了一系列溃坝实验，对矩形水槽溃坝水体在干床上的运动做了详细的二维/三维分析。2000年左右欧盟启动了一系列关于溃坝方面的研究(The Concerted Action on Dam-Break Modeling (CADAM) )，大量运用矩形水槽并以闸门瞬间打开方式来获得溃坝水体，得到了许多珍贵实验数据。2004年为了验证溃坝水体在湿床下表面运动形态研究的SPH数值模型，Janosi等用竖直抽取的方式开启闸门来获得瞬间溃坝水体。2014年L. Lobovský等同样利用矩形溃坝水槽获得溃坝水体开展流体对结构物冲击压强的三维研究。然而现有的溃坝水槽却存在诸多缺陷：（1）闸门开启后液体充满整个水槽，开始下组实验前需要在闸门关闭后将下游液体重新人工移回上游，如果是干床实验还需要人工将下游水槽用抹布擦拭干净，费时费力；（2）由于需考虑现有压力传感器采集峰值的不确定性和实验的可重复性，一般溃坝实验需要重复做上百甚至上千次实验（如L. Lobovský（2014）），现有溃坝水槽都是依靠人工重复，极为耗时；（3）为了达到闸门瞬间开启目的，一般采用重物下落牵引闸门开启，重物复位费时费力且重物难以稳定下落，往往导致整个装置严重摇晃，影响流态；（4）现有设备在闸门开启时靠重物下落牵引，很难准确控制闸门的开启速度。因此目前迫切需要一种能够实现稳定且自动提供瞬间溃坝水体的溃坝水槽实验装置。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽，其可自动控制水槽补放水、闸门稳定自动开启关闭、闸门速度可控、上下游水位自动调节等能全自动完成某一工况的所有相同实验，稳定高效。

为解决上述技术问题，本发明模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽，包括水槽、闸门门板以及水循环系统，所述水槽包括被闸门门板隔开的闸门上游水槽和闸门下游水槽，所述闸门上游水槽内设置有闸门上游水位计，所述闸门下游水槽内设置有闸门下游水位计，所述水循环系统包括通过三通管件相连接的设置有第一电磁阀的注水管、连入闸门上游水槽的进水管以及连接有循环水泵并设置有第二电磁阀的导水管，所述导水管的一端与闸门下游水槽相连，另一端连入三通管件，所述闸门上游水位计、闸门下游水位计、第一电磁阀、第二电磁阀和循环水泵均由工控计算机控制。

进一步的，所述闸门上游水槽设置有排水管，所述排水管上设置有由工控计算机控制的第三电磁阀。

进一步的，所述闸门门板两侧设置有与电机驱动齿轮啮合配合的竖直齿条，与所述电机驱动齿轮相连的电机设置在水槽上沿导轨上，所述电机与工控计算机相连接。

进一步的，所述闸门门板上设有与升降导轨上的竖直导槽相配合的竖直导条，所述升降导轨与横向配合设置在水槽上沿导轨上的横梁固定连接。

进一步的，所述升降导轨上设有横向挡板，所述横向挡板内侧设有橡胶缓冲块。

进一步的，所述闸门下游水槽内设有自动风干装置，所述自动风干装置的控制线与工控计算机相连接。

进一步的，所述自动风干装置包括配合设置在水槽上沿导轨的一组可相对水槽上沿导轨滑动的摇头电热风扇，所述摇头电热风扇通过锁定装置固定在水槽上沿导轨上。

进一步的，所述闸门门板两侧面与底端面上均开设有U形凹槽，所述U形凹槽与密封橡胶条的凸楞相配合，所述凸楞嵌入U形凹槽后由紧固螺钉固定。

进一步的，所述导水管和循环水泵设置在闸门上游水槽的底面下方或者底部侧壁上。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所述水位控制系统包括设置于闸门上游水槽内的闸门上游水位计和设置于闸门下游水槽内的闸门下游水位计，三通连接的注水管、进水管和导水管以及工控计算机，每次实验结束时，通过工控计算机打开连接于导水管上的循环水泵，将闸门下游水槽内的水体全部转移至闸门上游水槽内，省时省力，大大提高了实验效率。此外，闸门打开后，通过闸门上游水位计和闸门下游水位计所反馈的液位差值来判断实验完成与否，相比于人工判断，本发明的准确度更高。

2. 本发明在闸门下游水槽内还设有自动风干装置，当需要进行干床实验时，只需利用工控计算机开启自动风干装置将闸门下游水槽风干即可，相对于人工将下游水槽用抹布擦拭干净，本发明省时省力，可有效提高实验效率。

3.本发明所述闸门升降控制系统包括闸门门板和闸门升降装置，所述闸门升降装置包括可由工控计算机控制的电机驱动齿轮以及与其相配合的竖直齿条，通过电机驱动齿轮的运动带动闸门门板的上下运动，闸门门板的升降速度通过工控计算机自动控制电机驱动齿轮的转速进行调节，从而有效解决了传统闸门开启装置中难以控制闸门开启速度的难题。

4. 本发明所述闸门升降装置还包括一对升降导轨，两根升降导轨上均开设有与闸门门板背面所设置的竖直导条相配合的竖直导槽。在实验过程中，竖直导条始终设置在竖直导槽中，可有效保证闸门门板升降过程中的稳定性。

5. 本发明所述升降导轨呈“7”字形，其顶端内侧设有橡胶缓冲块，可柔性阻止闸门门板的上升，起到较好的缓冲作用，避免闸门门板与横梁的直接碰撞，影响整个装置的稳定性。

6.本发明所述闸门门板两侧边缘和底端均设置有密封橡胶条，密封橡胶条可使得闸门门板稳定缓慢闸入水槽，具有较强的密封性，且可有效减少机械震荡，减少实验等待时间，提高效率。

7.本发明所述闸门门板两侧与底端均开设有U形凹槽，且密封橡胶条包含与U形凹槽相配合的凸楞，凸楞嵌入U形凹槽后由紧固螺钉固定。从而使得密封橡胶条可以更加牢固地固定在闸门门板上，有效避免闸门门板快速的升降过程中密封橡胶条的脱落与错位，保证实验的顺利进行。

8. 本发明所述水槽上沿设有导轨，所述固定设置有升降导轨的横梁和带有转动齿轮的电机均可拆卸地配合设置在导轨上的所需位置，因而可以根据需要通过调整设置有升降导轨的横梁和带有转动齿轮的电机在导轨上的位置，进而对闸门上游水槽和闸门下游水槽的大小进行调节。此外，闸门下游水槽内设有由工控计算机自动控制的自动风干装置，所述自动风干装置为一组摇头电热风扇，该摇头电热风扇通过设置于其底端支架上的滑轮在导轨上滑动，通过锁定装置将摇头电热风扇锁定在导轨上。因此，在进行干床实验时，可根据需要在风干过程中移动摇头电热风扇的位置，以达到更加快速的风干效果，节省时间。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明升降导轨结构示意图；

图4是本发明闸门门板的结构示意图；

图5是本发明密封橡胶条的结构示意图；

图6是本发明密封橡胶条的安装示意图。

其中，1是升降导轨；2是闸门上游水位计；3是三通管件；4是闸门门板；5是摇头电热风扇；6是闸门下游水位计；7是工控计算机；8是横梁；9是闸门下游水槽；10是导轨；11是竖直齿条；12是电机驱动齿轮；13是闸门上游水槽；14是循环水泵；15是导水管；16是第三电磁阀；17是第一电磁阀；18是注水管；19是进水管；20是第二电磁阀；21是排水管；22是竖直导条；23是橡胶缓冲块；24是竖直导槽；25是U形凹槽；26是密封橡胶条；27是凸楞；28是紧固螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括水槽、闸门、水位控制系统和闸门升降控制系统，其中水槽被闸门门板4隔分成两部分，分别为闸门上游水槽13和闸门下游水槽9，水槽长度方向上水槽上沿固定设置有一对水槽上沿导轨10。如图2所示，本发明水位控制系统包括通过三通管件3相连接的注水管18、进水管19和导水管15以及工控计算机7，其中注水管18上设置有第一电磁阀17，进水管19的一端与三通管件3相连，另一端接入闸门上游水槽13。导水管15的一端与闸门下游水槽9相连，另一端接入三通管件3，导水管15中段接有循环水泵14与三通管件3之间的导水管15上设置有第二电磁阀20。闸门上游水槽13底部设有排水管21，排水管21上设有由第三电磁阀16。闸门上游水位计2固定于闸门上游水槽13壁面上，闸门下游水位计6固定于闸门下游水槽9壁面上。闸门上游水位计2、闸门下游水位计6、第一电磁阀17、第二电磁阀20、第三电磁阀16和循环水泵14的控制线均连入控制总线后与工控计算机7相连，由工控计算机7自动控制。水槽由底座支架架起的情况下，导水管15、循环水泵14和排水管21可设置在水槽的底面下方以节省空间。水槽直接放置在地面的情况下，导水管15、循环水泵14和排水管21可设置在水槽的底部外侧。此外，在闸门下游水槽9的上沿水槽上沿导轨10上增设自动风干装置，自动风干装置的控制线与工控计算机7相连接。该自动风干装置可由一组摇头电热风扇5组成，摇头电热风扇5的支架上设置有一组滚轮和锁定装置，通过滚轮配合卡在水槽上沿导轨10上并可沿水槽上沿导轨10移动。摇头电热风扇5的数量根据闸门下游水槽9的大小而定，使用过程中，根据需要可以将摇头电热风扇5移动到合适的位置，然后利用锁定装置将摇头电热风扇5固定在该位置。

如图1所示，本发明所述闸门升降控制系统主要包括带有电机驱动齿轮12的电机、设置在闸门门板4面向电机驱动齿轮12的面上的竖直齿条11、升降导轨1和设置在闸门门板4面向升降导轨1的面上的竖直导条22，其中受工控计算机7控制的一对带有电机驱动齿轮12的电机对称可拆卸配合设置在水槽上沿导轨10上，设置在闸门门板4上的竖直齿条11与电机驱动齿轮12相配合咬合，可在电机驱动齿轮12的作用下带动闸门门板4上下移动，其移动速度受电机驱动齿轮12转动速度的控制，因而可通过工控计算机7的调节带有电机驱动齿轮12的电机的转速从而控制闸门门板4的升降速度，有效解决了传统闸门开启装置中难以控制闸门开启速度的难题。如图3和图4所示，为提高闸门门板4升降过程中的稳定性，本发明闸门升降控制系统还包括两一对升降导轨1，该升降导轨1焊接或者螺纹固定连接在横梁8上，横梁8可拆卸配合设置在水槽上沿导轨10上。通过调整横梁8和带有电机驱动齿轮12的电机在水槽上沿导轨10上的位置，可调整闸门门板4在水槽中的位置，从而可根据需要对闸门上游水槽13和闸门下游水槽9的大小进行调整。两根升降导轨1上均开设有与设置在闸门门板4上一对竖直导条22相配合的竖直导槽24。在闸门门板4升降的过程中，竖直导条22始终设置在竖直导槽24内。此外，升降导轨1呈“7”字形，其顶端内侧设有缓冲橡胶块25，闸门门板4上升过程中，脱离电机驱动齿轮12的控制之后在惯性的作用下继续向上运动，至顶端时在缓冲橡胶块25的作用下降速，在缓冲橡胶块25良好的缓冲作用下，有效避免由于闸门门板4和横梁2的猛烈撞击而引起整个装置的晃动，影响实验效果。本发明所称闸门门板4正面即指设有竖直齿条11的一面，闸门门板4反面即指与正面相对设有竖直导条22的一面。

如图4、图5和图6所示，为使得闸门门板4和水槽之间达到较好的密封效果，本发明在闸门门板4两侧与底端均开设有U形凹槽25，密封橡胶条26包含有与U形凹槽25相配合的凸楞27结构，凸楞27嵌入U形凹槽25后由紧固螺钉28固定，其结合方式如图6所示。密封橡胶条26在闸门门板4侧壁上的设置高度以略高于水槽高度为宜。密封橡胶条26的设计可使得本发明在水槽底部不设置凹槽的情况下，依旧可使闸门门板4与水槽底部和内壁密封连接。

实验准备：闸门门板4卡于水槽内，注水管18连入自来水管，在工控计算机7中输入所需的闸门上游水槽13和闸门下游水槽9的实验水位、闸门开启速度和实验次数，点击确定开始即可。此时第一电磁阀17自动开启，第二电磁阀20处于关闭状态，水体经注水管18流入进水管19后流进闸门上游水槽13。当闸门上游水槽13的水位达到预定水位时，闸门上游水位计2将水位信息反馈给工控计算机7，工控计算机7控制第一电磁阀17关闭，实验准备结束。

实验开始时，工控计算机7控制带有电机驱动齿轮12的电机按实验设定的闸门开启速度运行，闸门门板4在电机驱动齿轮12的带动下沿着升降导轨1迅速竖直向上运动。待闸门完全打开后，闸门门板4脱离电机驱动齿轮12继续沿升降导轨1向上运动，至升降导轨1顶部，在橡胶缓冲块23作用下停止向上运动并自由下落，最终静止于电机驱动齿轮12之上。闸门门板4打开时，闸门上游水槽13液体形成溃坝水体冲向闸门下游水槽9，并与事先放置于闸门下游水槽9内的结构物相互作用。此过程中可利用高速相机、压力传感器等完成实验数据的采集。当闸门上游水位计2和闸门下游水位计6反馈的液位值相同时，单次模拟瞬间溃坝的实验完成。此时工控计算机7控制电机驱动齿轮12缓慢匀速反转，闸门门板4在电机驱动齿轮12的带动下缓慢复位重新闸住水体。之后，工控计算机7控制第二电磁阀20和循环水泵14自动开启，闸门下游水槽9内水体经导水管15循环至闸门上游水槽13，工控计算机7根据闸门下游水位计6所反馈的液位值，判断何时关闭循环水泵14。若进行的是湿床实验，当闸门下游水位计6所反馈的液位值减小到设定值时，关闭循环水泵14和第二电磁阀20。工控计算机7根据闸门上游水位计2所反馈的液位值，判断闸门上游水槽13内是否需要补水。当闸门上游水位计2所反馈的液位值小于设定值时，开启第一电磁阀17，开始补水。当闸门上游水位计2所反馈的液位值达到设定值时，关闭第一电磁阀17。若进行的是干床实验，当闸门下游水位计6所反馈的液位值为0时，关闭循环水泵14和第二电磁阀20，开启设置在闸门下游水槽9的摇头电热风扇5，根据需要将摇头电热风扇5移动至合适位置，达到预定时间后，自动关闭摇头电热风扇5。在此过程中，工控计算机7根据闸门上游水位计2所反馈的液位值，判断闸门上游水槽13内是否需要补水。当闸门上游水位计2所反馈的液位值小于设定值时，开启第一电磁阀17，开始补水。当闸门上游水位计2所反馈的液位值达到设定值时，关闭第一电磁阀17。自此可开始下组实验，当实验次数达到预设实验要求次数时本次实验自动结束。由工控计算机7控制将闸门下游水槽9内的水全部循环至闸门上游水槽13后，开启排水管21的第三电磁阀16，将水全部放出后，本次实验全部完成。由此可见，利用本发明进行瞬间溃坝的模拟实验自动化程度高，省时省力，实验精确度高，可更为有效地模拟干床、湿床状态的溃坝实验，稳定高效。

Claims (5)

1.模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽，包括水槽、闸门门板以及水循环系统，所述水槽包括被闸门门板（4）隔开的闸门上游水槽（13）和闸门下游水槽（9），所述闸门上游水槽（13）内设置有闸门上游水位计（2），所述闸门下游水槽（9）内设置有闸门下游水位计（6），其特征在于所述水循环系统包括通过三通管件（3）相连接的设置有第一电磁阀（17）的注水管（18）、连入闸门上游水槽（13）的进水管（19）以及连接有循环水泵（14）并设置有第二电磁阀（20）的导水管（15），所述导水管（15）的一端与闸门下游水槽（9）相连，另一端连入三通管件（3），所述闸门上游水位计（2）、闸门下游水位计（6）、第一电磁阀（17）、第二电磁阀（20）和循环水泵（14）均由工控计算机（7）控制；

所述闸门门板（4）两侧设置有与电机驱动齿轮（12）啮合配合的竖直齿条（11），与所述电机驱动齿轮（12）相连的电机设置在水槽上沿导轨（10）上，所述电机与工控计算机（7）相连接，所述闸门门板（4）上设有与升降导轨（1）上的竖直导槽（24）相配合的竖直导条（22），所述升降导轨（1）与横向配合设置在水槽上沿导轨（10）上的横梁（8）固定连接，所述闸门门板（4）两侧面与底端面上均开设有U形凹槽（25），所述U形凹槽（25）与密封橡胶条（26）的凸楞（27）相配合，所述凸楞（27）嵌入U形凹槽（25）后由紧固螺钉（28）固定；

所述闸门下游水槽（9）内设有自动风干装置，所述自动风干装置的控制线与工控计算机（7）相连接。

2.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽，其特征在于所述闸门上游水槽（13）设置有排水管（21），所述排水管上设置有由工控计算机（7）控制的第三电磁阀（16）。

3.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽，其特征在于所述升降导轨（1）上设有横向挡板，所述横向挡板内侧设有橡胶缓冲块（23）。

4.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽，其特征在于所述自动风干装置包括配合设置在水槽上沿导轨（10）的一组可相对水槽上沿导轨（10）滑动的摇头电热风扇（5），所述摇头电热风扇（5）通过锁定装置固定在水槽上沿导轨（10）上。

5.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动控制循环水槽，其特征在于所述导水管（15）和循环水泵（14）设置在闸门上游水槽（13）的底面下方或者底部侧壁上。

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