CN106769717B - 一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置 - Google Patents

一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置，其中，竖向且上、下端均开口的空心沉降柱的上部与集水箱相通连接，絮体分离室的上端与空心沉降柱的下端连接，絮体分离室的上端设有用于将空心沉降柱中的一部分絮体收集到絮体分离室内的絮体收集口，底泥收集室设于絮体分离室的下方并用于收集未进入絮体分离室内的其它絮体；图像采集装置安装于絮体分离室的旁边。本发明通过设计空心沉降柱使泥沙絮体形成沉降状态，通过设计絮体分离室将一部分被检测的絮体与其它絮体分离，避免絮体过多以致相互间干扰，使其测量准确度显著提高，通过图像采集装置获得絮体图像以分析黏性泥沙絮凝沉降后形成絮体的粒径和沉降速率。

Description

一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置
技术领域
本发明涉及一种水利工程中观测黏性泥沙絮凝沉降的试验装置，尤其涉及一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置。
背景技术
河口海岸水域环境中细颗粒泥沙的絮凝是引起河口、海岸泥沙沉降的主要原因；而泥沙的沉降堆积通常会抬高床面，影响通航，同时黏性泥沙絮凝也会吸附大量营养物质，造成环境危害。
在黏性泥沙絮凝过程中，絮体粒径是重要的研究参数。根据以往研究基础，流体剪切力是影响黏性泥沙絮凝沉降的重要因素；在一定流体剪切力作用下，当絮体的聚合和破碎形成平衡时，絮体粒径分布趋于稳定。
为了研究流体剪切力对黏性泥沙絮凝沉降的影响，需要设计试验装置来观测不同流体剪切力条件下黏性泥沙絮凝后的絮体平衡粒径。以往研究泥沙絮凝沉降所用装置有絮凝搅拌器、沉降筒等，但是都有不同程度的缺陷，如絮凝搅拌器只能产生高强度剪切力，不能对低流速河道的水流剪切条件进行模拟，且絮凝搅拌器高度较小，泥沙未充分絮凝就已经沉降，不能对平衡条件的絮体粒径进行观测；目前多数学者使用的沉降筒大多有以下缺陷：1、没有振动格珊，不能产生均匀各向同性湍流；2、沉降筒高度较小、不能达到平衡条件；3、没有将絮体分离，结合摄像设备实验时，泥沙之间相互干扰较大，不能得到理想的絮体图像。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置，包括集水箱、空心沉降柱、絮体分离室、底泥收集室和图像采集装置，竖向且上、下端均开口的所述空心沉降柱的上部与所述集水箱相通连接，所述絮体分离室的上端与所述空心沉降柱的下端连接，所述絮体分离室的上端设有用于将所述空心沉降柱中的一部分絮体收集到所述絮体分离室内的絮体收集口，所述底泥收集室设于所述絮体分离室的下方并用于收集未进入所述絮体分离室内的其它絮体；所述图像采集装置安装于所述絮体分离室的旁边。
作为优选，所述试验装置还包括电机和多个格栅，多个所述格栅竖向间隔排列在所述空心沉降柱内，多个所述格栅之间通过竖向的连杆活动连接，所述电机安装于所述空心沉降柱的上方，所述连杆的上端能够通过所述电机带动上下移动。根据需要，本发明的连杆优选四根，两根为一组，两组连杆分别设于格栅的两侧。
进一步，所述试验装置还包括清水箱和清水室，所述清水室设于所述絮体分离室的外侧，所述清水箱设于所述清水室的外侧，所述清水箱内的清水不能进入所述空心沉降柱内，所述清水箱内的清水能够进入所述清水室内，所述清水箱和所述清水室内的清水均不能进入所述絮体分离室内，所述絮体分离室的内壁中与所述摄像机相对的一侧内壁为黑色内壁。
进一步，所述试验装置还包括搅拌器，所述搅拌器设于所述集水箱内；所述空心沉降柱的上部置于所述集水箱内，所述空心沉降柱的上部管壁上设有能够控制开、关的出入口。
进一步，所述空心沉降柱的竖向方向间隔设有多个取样管，所述取样管上设有开关。
具体地，所述图像采集装置包括激光发射器、摄像机和图像采集主机，所述激光发射器的出射片状光束对准所述絮体分离室，所述摄像机的镜头对准所述絮体分离室，所述摄像机的信号输出端与所述图像采集主机的信号输入端连接。图像采集装置统称PIV设备。
本发明的有益效果在于：
本发明通过设计空心沉降柱使泥沙絮体形成沉降状态，通过设计絮体分离室将一部分被检测的絮体与其它絮体分离，避免絮体过多以致相互间干扰，使其测量准确度显著提高，通过图像采集装置获得絮体图像以分析黏性泥沙絮凝沉降后形成絮体的粒径和沉降速率；通过在空心沉降柱内设置多个格栅并通过电机带动上下移动形成振动，可产生不同程度的各向均匀同性湍流，利于分析不同剪切力条件下的黏性泥沙絮凝沉降规律；通过设置清水箱和清水室，增强絮体分离室内的透光性，防止摄像时影像变形，更利于拍摄清晰的图像，絮体分离室的内壁中与所述摄像机相对的一侧内壁为黑色内壁，能更好地避免其它絮体的干扰；通过设计搅拌器，可以保证进入空心沉降柱中的悬浮泥沙的浓度均匀；通过设计开、关可控的出入口实现泥沙絮体的定时定量排放，且更加便于完成不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验；通过在空心沉降柱的竖向方向间隔设置多个取样管并设置开关，使本试验装置不仅适用于影像测量，还可进行传统取样分析。
附图说明
图1是本发明所述可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置的主视透视结构示意图，图中未示激光发射器、摄像机和图像采集主机；
图2是本发明所述试验装置中图像采集相关部件的立体透明结构示意图；
图3是本发明所述试验装置中图像采集相关部件的俯视透明结构示意图，图中未示激光发射器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1、图2和图3所示，本发明所述可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置包括集水箱1、电机11、搅拌器10、空心沉降柱2、格栅3、絮体分离室5、清水箱8、清水室7、底泥收集室9、激光发射器15、摄像机13和图像采集主机14，搅拌器10设于所述集水箱1内，竖向且上、下端均开口的圆柱形空心沉降柱2的上部与集水箱1相通连接，空心沉降柱2的上部置于集水箱1内，空心沉降柱2的上部管壁上设有能够控制开、关的出入口4，多个格栅3竖向间隔排列在空心沉降柱2内，多个格栅3之间通过四条竖向的连杆(图中未标记)活动连接且四条所述连杆分两组分别置于格栅3的两侧，电机11安装于空心沉降柱2的上方并位于集水箱1内，四条所述连杆的上端能够通过电机11带动上下移动，空心沉降柱2的竖向方向间隔设有多个取样管12，取样管12上设有开关，絮体分离室5的上端与空心沉降柱2的下端连接，絮体分离室5的上端设有用于将空心沉降柱2中的一部分絮体收集到絮体分离室5内的絮体收集口6，底泥收集室9设于絮体分离室5的下方并用于收集未进入絮体分离室5内的其它絮体；清水室7设于絮体分离室5的外侧，清水箱8设于清水室7的外侧，清水箱8内的清水不能进入空心沉降柱2内，清水箱8内的清水能够进入清水室7内，清水箱8和清水室7内的清水均不能进入絮体分离室5内，絮体分离室5的内壁中与摄像机13相对的一侧内壁为黑色内壁；上述激光发射器15、摄像机13和图像采集主机14共同构成图像采集装置，统称为PIV设备，安装于絮体分离室5的旁边，激光发射器15的出射片状光束和摄像机的镜头分别对准絮体分离室5，摄像机13的信号输出端与图像采集主机14的输入端连接。上述集水箱1、空心沉降柱2、絮体分离室5、清水箱8、清水室7、底泥收集室9之间涉及相互连接的，具体的连接结构根据需要采用常规连接结构即可实现，比如可以采用法兰连接，也可以采用一体成型等。
更具体地，上述集水箱1的高度为200mm、容积为0.2m3；空心沉降柱2的高度为1.8m、内径为300mm、壁厚为10mm；出入口4的宽度为60mm、高度为100mm；格珊3的珊条宽度为d＝10mm、孔径为M＝50mm，相邻格珊3之间的间距为H＝250mm，其4≤H/M≤6，这是是格珊3产生同向均匀湍流的条件，格珊3的边缘与空心沉降柱2的内壁之间的间距为20mm；清水箱8的高度为300mm，絮体分离室5的长、宽、高分别为60mm、68mm、300mm，上下皆密封，仅在上部留一10mm×10mm的絮体收集口6；底泥收集室9的内径为300mm、高度为300mm；相邻取样管12之间的间距为30cm。
如图1-图3所示，根据应用需要，试验时可以采用如下优选步骤：
1、在空心沉降柱2中注入清水，清水通过出入口4进入至集水箱1内至适量，关闭出入口4，然后将电机11开启，调节格栅3的振幅和频率到实验要求；
2、将配制好浓度的实验泥沙倒入集水箱1内，将搅拌机10开启连续搅拌；
3、在清水箱8中加入清水，使清水室7内也注满清水；
4、待空心沉降柱2中的水流紊动均匀时，将上方的出入口4打开，使泥沙悬浮液即絮体进入空心沉降柱2；
5、开启摄像机13，连续拍摄絮体分离室5中的絮体图像；
6、所拍摄图像储存在图像采集主机14中，可采用专业图像处理软件分析、计算其粒径和沉速，具体的分析方法不是本发明的创新所在，更不是本发明的保护对象，在此不作具体说明。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置，其特征在于：包括集水箱、空心沉降柱、絮体分离室、底泥收集室和图像采集装置，竖向且上、下端均开口的所述空心沉降柱的上部与所述集水箱相通连接，所述絮体分离室的上端与所述空心沉降柱的下端连接，所述絮体分离室的上端设有用于将所述空心沉降柱中的一部分絮体收集到所述絮体分离室内的絮体收集口，所述底泥收集室设于所述絮体分离室的下方并用于收集未进入所述絮体分离室内的其它絮体；所述图像采集装置安装于所述絮体分离室的旁边，所述图像采集装置包括激光发射器、摄像机和图像采集主机；
所述试验装置还包括电机和多个格栅，多个所述格栅竖向间隔排列在所述空心沉降柱内，多个所述格栅之间通过竖向的连杆活动连接，所述电机安装于所述空心沉降柱的上方，所述连杆的上端能够通过所述电机带动上下移动；
所述试验装置还包括清水箱和清水室，所述清水室设于所述絮体分离室的外侧，所述清水箱设于所述清水室的外侧，所述清水箱内的清水不能进入所述空心沉降柱内，所述清水箱内的清水能够进入所述清水室内，所述清水箱和所述清水室内的清水均不能进入所述絮体分离室内，所述絮体分离室的内壁中与所述摄像机相对的一侧内壁为黑色内壁。
2.根据权利要求1所述的可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置，其特征在于：所述试验装置还包括搅拌器，所述搅拌器设于所述集水箱内；所述空心沉降柱的上部置于所述集水箱内，所述空心沉降柱的上部管壁上设有能够控制开、关的出入口。
3.根据权利要求1或2所述的可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置，其特征在于：所述空心沉降柱的竖向方向间隔设有多个取样管，所述取样管上设有开关。
4.根据权利要求1或2所述的可观测不同速度梯度下黏性泥沙絮凝沉降的试验装置，其特征在于：所述激光发射器的出射片状光束对准所述絮体分离室，所述摄像机的镜头对准所述絮体分离室，所述摄像机的信号输出端与所述图像采集主机的信号输入端连接。
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