CN107705692A - 一种溃坝循环水槽 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溃坝循环水槽，包括实验水槽、溃坝闸门、蓄水槽、排水闸门、水泵槽、循环水泵、进水管、上游注水管、下游注水管、排水管和导水管；溃坝闸门设置在实验水槽内，垂直于实验水槽中的水流方向；蓄水槽位于实验水槽正下方并连接到实验水槽的出水口；排水闸门位于实验水槽内，邻近实验水槽的出水口；水泵槽位于蓄水槽的侧面并连接到蓄水槽的出水口，其绝对标高小于蓄水槽；进水管、上游注水管、下游注水管和导水管通过四通连接，循环水泵连接到导水管。本发明的装置在高效便捷地完成溃坝重复实验的同时，也可以用于造波实验以及均匀流水循环实验，并且坡度调节功能能够与各项水动力实验配合工作，极大地提高了适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及水动力实验设施，特别是一种溃坝循环水槽。
背景技术
水动力原型实验，难于分别控制各种参量，而且费用高，对于某些工程，在建成前有时甚至不可能进行原型实验，因此目前的水动力实验大都采用模型实验。在水动力模型实验中，有些问题可用理论分析或数值计算方法求解；但是理论解只能给出流场的均值而不能给出真实的流场波动演化的过程，此外采用理论值计算结构受力会产生很大的误差；数值计算对于复杂的波流，不能较好地模拟流场情况，且计算效率低下；此外有些问题因物理现象复杂，基本规律还不清楚，或因边界形状复杂，而只能用实验方法进行研究。
目前的水动力实验中采用的实验水槽依然存在着以下不足之处和需要改进的地方：
1.现有水动力实验中采用的实验水槽功能较为单一，实验者往往需要根据不同的实验方向的需求分别建造造价昂贵的实验水槽，而不便于利用同一个实验水槽来完成各种不同类型的水动力实验。
2.一般的水动力实验特别是溃坝实验，由于实验数据采集的随机性往往需要做多个组次的实验，溃坝闸门开启后上游液体将充满整个水槽，开始下一组实验前需要在闸门关闭后将下游水体重新人工移回上游，由于大多数的实验水槽下游部分通常采用封闭设计，这个过程费时费力，降低了重复实验的效率。目前大部分的循环水槽往往是通过在水槽下游设置抽水管配合循环水泵来实现实验水槽的水循环，与人工排水相比，这种改进方法在一定的程度上提高了排水的效率，但是当实验水槽的蓄水较多时，采用这种方式来进行实验水槽的排水仍然需要较长的时间，且在水槽的水循环中不能满足高流速均匀流循环水流实验的需求。
3.目前的水动力实验中大部分采用直接将实验水槽水平地设置在地面上的方法，这种实验水槽往往无法满足水动力实验中灵活变坡试验的需求。
因此目前的水动力实验中迫切地需要一种兼具造波、造流以及变坡功能的溃坝循环水槽。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明的目的是提供一种溃坝循环水槽，其能实现实验水槽的快速补水和迅速排水、实验水槽中上下游水位的控制调节和整个循环水槽的坡度调节，在完成溃坝实验的同时也可以满足造波实验和均匀流水循环实验等其他的水动力实验的要求。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种溃坝循环水槽，包括实验水槽和溃坝闸门；溃坝闸门设置在实验水槽内，垂直于实验水槽中的水流方向；溃坝闸门包括左、右支架及其共同支撑的横梁，溃坝闸门门板的两端分别置于左、右支架的凹槽内，钢缆一端连接到溃坝闸门门板，另一端通过横梁上设置的定滑轮连接到闸门升降装置；实验水槽被溃坝闸门门板分隔为上游水槽和下游水槽，上游水槽和下游水槽中分别设置有上游水位计和下游水位计；
还包括蓄水槽和排水闸门；蓄水槽位于实验水槽正下方并连接到实验水槽的出水口；排水闸门位于实验水槽内，邻近实验水槽的出水口，由电磁开关控制；
还包括水泵槽，水泵槽位于蓄水槽的侧面并连接到蓄水槽的出水口，其绝对标高小于蓄水槽；
还包括循环水泵、设置有第一电磁阀的进水管、设置有第二电磁阀的上游注水管、设置有第三电磁阀的下游注水管、设置有第四电磁阀的排水管和导水管；进水管通过四通连接到导水管的一端，导水管的另一端连接到位于水泵槽内的循环水泵；四通还分别连接上游注水管和下游注水管；排水管连接到水泵槽底部的出水口。
进一步地，实验水槽底部还设置有垂直于水流方向的凹形槽，位于溃坝闸门门板下方对应位置，凹形槽内填充密封橡胶条，密封橡胶条的上表面与实验水槽底部的上表面平齐。
进一步地，下游水槽底部还设置有垂直于水流方向的凹形槽；还包括排水挡板，排水挡板下部还设置有与凹形槽配合的T形连接构件；所述排水闸门替换为排水挡板，排水挡板通过T形连接构件固定在凹形槽。
进一步地，溃坝闸门门板的两端分别通过竖直滑块连接构件连接有竖直滑块；溃坝闸门的左、右支架的凹槽中还设置有与竖直滑块配合的竖直滑动轨道；溃坝闸门的左、右支架的凹槽内边缘还填充有竖直密封橡胶条。
进一步地，实验水槽的出水口和蓄水槽之间还设置有缓冲箱。
进一步地，下游水槽底部还设置有垂直于水流方向的凹形槽；还包括消波端，消波端下部还设置有与凹形槽配合的T形连接构件；消波端通过T形连接构件固定在凹形槽；还包括造波机，造波机设置在上游水槽。
进一步地，上游水槽底部还设置有垂直于水流方向的第一凹形槽；还包括均流箱，均流箱下部还设置有与第一凹形槽配合的T形连接构件，均流箱通过T形连接构件固定在第一凹形槽；下游水槽底部还设置有垂直于水流方向的第二凹形槽；还包括排水挡板，排水挡板下部还设置有与第二凹形槽配合的T形连接构件；所述排水闸门替换为排水挡板，排水挡板通过T形连接构件固定在第二凹形槽。
更进一步地，所述溃坝循环水槽整体置于水槽整体支架中，水槽整体支架的四个端脚分别连接有千斤顶；还包括销铰构件，销铰构件连接到水槽整体支架下部，位于溃坝闸门下方。
本发明的有益效果在于，
1.采用了一种新型的实验水槽下游的开放式设计，即在实验水槽下游设计排水闸门，在水动力实验完成后，通过开启实验水槽下游排水闸门能够十分迅速的将实验水槽中的水体排出，相比于传统的通过排水管排水的方法，排水方式更加的高效便捷。
2.蓄水槽的蓄水量大于实验水槽的最大实验水量，实验水槽的水体在排水闸门门板开启后可以迅速的排入蓄水槽而不需要进行人工排水；蓄水槽和实验水槽间设置有缓冲箱以减小迅速排水时的冲击和噪声。同时水泵槽布置于蓄水槽的底部侧面且其绝对标高小于蓄水槽以保证循环水泵具有足够的淹没深度，配合大功率的循环水泵，能够在极短的时间内将蓄水池中水体抽入装置上部水槽，整个过程省时省力，大大的减少了实验前期的准备时间，极大的提高了重复实验的效率，同时也满足开展高速造流实验的循环水量的要求。
3.水位控制系统即上下游水位计可以准确保证水动力实验准备过程中实验水槽上游的实验蓄水深度和实验水槽下游的实验初始水深。
4.在实验水槽上游设置可拆卸的造波机，在实验水槽下游设置可拆卸的消波端，同时打开溃坝实验闸门以及闭合实验水槽下游排水闸门门板，启动循环水泵，即可进行造波的相关实验。
5.实验者在实验水槽上游安装均流箱，在实验水槽下游安装不同规格的挡板，同时打开溃坝实验闸门以及下游排水闸门，即可进行均匀流循环实验。
6.通过调节千斤顶使水槽整体绕销铰支座旋转，能够调节实验水槽的不同坡度，同时该变坡系统可以与上述各个水动力实验配合进行，极大提高了适用范围。
总之，本发明在高效便捷的完成溃坝重复实验的同时也可以用于造波实验以及均匀流水循环实验等其他的水动力实验，此外坡度调节功能能够与上述的各个水动力具体实验配合工作，极大的提高了适用范围，因此具有显著的经济效益。
附图说明
图1是整体示意图。
图2是正视图。
图3是可拆卸部分的示意图。
图4是水槽凹槽的示意图。
图5是溃坝闸门密封橡胶条的示意图。
图6是溃坝闸门竖直滑动轨道的示意图。
图7是溃坝闸门两端竖直滑块的示意图。
其中，1是造波机；2是均流箱；3是溃坝闸门横梁；4是定滑轮；5是连接钢缆；6是上游水位计；7是溃坝闸门支架；8是下游水位计；9是消波端；10是电磁开关；11是排水闸门；12是蓄水槽；13是上游注水管；14是进水管；15是四通管件；16是排水管；17是导水管；18是水泵槽；19是下游注水管；20是销铰构件；21是水槽整体支架；22溃坝闸门门板；23是实验水槽；24是千斤顶；25是缓冲箱；26第一电磁阀；27是第三电磁阀；28是第二电磁阀；29是第四电磁阀；30是循环水泵；31是地表面；32是T形连接构件上部可变部分(均流箱、消波端或排水挡板)；33是T形连接构件；34是实验水槽中凹形槽；35是实验水槽底面玻璃板；36是溃坝闸门下部水槽密封橡胶条；37是竖直滑动轨道；38是竖直密封橡胶条；39是竖直滑块连接构件；40是竖直滑块。
具体实施方式
在图1～图4所示的兼具造波、造流、以及变坡功能的溃坝循环水槽的实施例中，整个循环水槽装置设置于钢框架内，在钢框架的底座的四个端角分别设置有液压千斤顶，在钢框架的底座的溃坝闸门门板的竖直下方的钢框架底座处设置有销铰构件，通过调节液压千斤顶可以使循环水槽整体绕销铰支座旋转，从而调节循环水槽的不同坡度。
用于溃坝实验的基础部分主要包括实验水槽23、蓄水槽12、缓冲箱25、水泵槽18、闸门、水位控制及循环系统和闸门升降控制系统。所述实验水槽包括被溃坝闸门门板22分隔开的上游水槽和下游水槽，上游水槽和下游水槽内分别设置有上游水位计和下游水位计，下游水槽采用开放式的设计即在下游水槽末端设置有排水闸门，所述排水闸门由电磁开关控制，在水动力实验完成后通过开启排水闸门可以实现实验水槽的快速排水。
所述蓄水槽12设置于实验水槽23正下方，蓄水槽的蓄水量大于实验水槽的最大蓄水量，实验水槽的水体在排水闸门门板11开启后可以迅速的排入蓄水槽而不需要进行人工排水。所述蓄水槽12和实验水槽23间设置有缓冲箱25以减小迅速排水时的冲击和噪声。同时蓄水槽具有足够的蓄水量才能满足开展高速造流实验所要求的足够的蓄水深度，所述水泵槽18布置于蓄水槽12的底部侧面且其绝对标高小于蓄水槽以保证循环水泵30具有足够的淹没深度，在水槽侧面设置有排水管16，所述排水管由第四电磁阀29控制。
所述水位控制及循环系统主要包括循环水泵30，通过四通管件15连接的设置有第一电磁阀26的进水管14，设置有第二电磁阀28的上游注水管13，设置有第三电磁阀27的下游注水管19，与循环水泵连接的导水管17以及在上游水槽和下游水槽分别设置的上游水位计6和下游水位计8，所述第一电磁阀，第二电磁阀，第三电磁阀，第四电磁阀和循环水泵以及水位计均接入控制线路并与工程计算机连接。所述循环水泵采用直流水泵，其功率大小可通过工程计算机控制，在水槽水位达到控制水位的一定百分比时，自动控制降低循环水泵的功率从而精确控制实验水槽水位。
所述可拆卸部分主要包括造波机1，消波端9，均流箱2以及各种规格的排水挡板；上游水槽和下游水槽中分别开有“凹”形凹槽34，所述凹槽与可拆洗部分下部的“T”形连接构件33的“腹板”相配合，所述“腹板”嵌入凹槽后由紧固螺钉固定。
在溃坝闸门下方的水槽底面开有与上述相似的凹槽，所述水槽凹槽中固定有密封橡胶条，橡胶条的上表面与水槽底面的上表面平齐，溃坝闸门能够轻微压入闸门下方的密封橡胶条中，可以有效的提高闸门的密封性。
实验前的准备工作：
溃坝闸门门板22静止压入到溃坝闸门下部水槽密封橡胶条36内，下游排水闸门门板处于关闭状态，初次实验时由于蓄水槽中没有蓄水，实验者在实验前需要打开第一电磁阀26，通过进水管14向水泵槽18中注水，注水完毕后关闭第一电磁阀，然后启动循环水泵30，同时打开第二电磁阀28和第三电磁阀27，通过四通管15以及上游注水管13及下游注水管19分别向上游水槽和下游水槽注水。在所述上下游注水过程中，通过上游水位计6和下游水位计8分别控制上游水槽和下游水槽的水位，当上下游水槽内水位达到实验设定高度的一定百分比后，工程计算机控制循环直流水泵减小功率，以较小的注水量精确的控制上下游的水位，当达到实验设定水位后，由工程计算机控制第二电磁阀28和第三电磁阀27分别自动关闭，初次实验准备结束。
用于模拟瞬间溃坝实验时，主要实验过程如下：
实验开始时，工程计算机控制闸门升降装置工作，闸门通过水槽两侧的滑动轨道1平稳而快速的开启，溃坝闸门门板22打开后，实验水槽上游内水体形成溃坝水体向水槽下游冲去。第一组实验完成后，关闭溃坝闸门门板22，同时打开下游排水闸门门板11将实验水槽中的水体迅速的排出到蓄水槽12中。排水完毕后进行第二组实验的准备，重复上述实验前准备工作，补水完成后即可开始进行第二组实验。
溃坝实验的优化方案一：
在进行下游具有初始水深的溃坝实验时，通过在下游安装相应规格的排水挡板而不采用排水闸门，其在实验过程中能够在一定程度上延缓部分反射波的到达时间，从而在一定程度上提高测试的稳定段的持续时间。
溃坝实验的优化方案二：
在进行溃坝实验时，当溃坝波即将到达下游排水闸门门板时，通过打开排水闸门门板在一定程度上可以模拟自由出流的情况，从而在一定程度上提高测试的稳定段的持续时间。
用于造波实验时，主要实验过程如下：
实验开始前，将消波端9底面的“T”形连接构件33直接嵌入下游水槽的“凹”形凹槽34内并用紧固螺钉固定，打开溃坝闸门门板22同时关闭排水闸门门板11，此时水槽下游部分处于密闭状态，进行上述实验前准备工作，注水完毕后即可启动造波机1开始造波实验。
实验完成后，打开水槽下游排水闸门11即可以将水槽中的水体排入实验水槽下部的蓄水池，整个排水过程便捷且省时省力。
用于均匀流水体循环实验时，主要实验过程如下：
实验开始前，将均流箱2底面的“T”形连接构件33直接嵌入上游水槽的“凹”形凹槽34内并用紧固螺钉固定，选择合适规格的排水挡板并将其底部的“T”形连接构件33直接嵌入下游水槽的“凹”形凹槽34内并用紧固螺钉固定，打开溃坝闸门门板22和排水闸门门板11，启动循环水泵30同时打开第二电磁阀28，通过四通管件15以及上游注水管13向上游水槽注水，实验过程中通过调节实验水槽下游排水挡板以及实验水槽上游均流箱2的溢流挡板的高度以及循环水泵30的输出功率可以实现不同水深，不同流速的均匀流水流循环实验。
实验完成后，去除水槽下游挡板将水槽中的水体排入实验水槽下部的蓄水池12，整个排水过程便捷且省时省力。
在所有实验工况均完成后，若短期内不再进行水动力实验，则可打开第四电磁阀29，由排水管16将整个循环水槽中的水体排出到室外蓄水池中。
此外中加入了循环水槽整体的变坡功能，通过调节钢框架底部四个端角处的千斤顶24可以使整体循环水槽绕销铰构件20转动，从而实现循环水槽的不同坡度，所述变坡功能可以与上述任意水动力实验相结合，大大提高了适用工况范围。
综上所述，本发明一种兼具造波、造流、以及变坡功能的溃坝循环水槽既可以实现模拟瞬间溃坝的实验，又能满足水动力实验中的造波实验以及均匀流水流循环实验等其他水动力实验的要求，同时其变坡功能可以与上述任意水动力实验相结合，具有重要的现实意义和经济效益。
Claims (8)
1.一种溃坝循环水槽，其特征在于，包括实验水槽(23)和溃坝闸门；溃坝闸门设置在实验水槽(23)内，垂直于实验水槽(23)中的水流方向；溃坝闸门包括左、右支架(7)及其共同支撑的横梁(3)，溃坝闸门门板(22)的两端分别置于左、右支架(7)的凹槽内，钢缆(5)一端连接到溃坝闸门门板(22)，另一端通过横梁(3)上设置的定滑轮(4)连接到闸门升降装置；实验水槽(23)被溃坝闸门门板(22)分隔为上游水槽和下游水槽，上游水槽和下游水槽中分别设置有上游水位计(6)和下游水位计(8)；
还包括蓄水槽(12)和排水闸门(11)；蓄水槽(12)位于实验水槽(23)正下方并连接到实验水槽(23)的出水口；排水闸门(11)位于实验水槽(23)内，邻近实验水槽(23)的出水口，由电磁开关(10)控制；
还包括水泵槽(18)，水泵槽(18)位于蓄水槽(12)的侧面并连接到蓄水槽(12)的出水口，其绝对标高小于蓄水槽(12)；
还包括循环水泵(30)、设置有第一电磁阀(26)的进水管(14)、设置有第二电磁阀(28)的上游注水管(13)、设置有第三电磁阀(27)的下游注水管(19)、设置有第四电磁阀(29)的排水管(16)和导水管(17)；进水管(14)通过四通(15)连接到导水管(17)的一端，导水管(17)的另一端连接到位于水泵槽(18)内的循环水泵(30)；四通(15)还分别连接上游注水管(13)和下游注水管(19)；排水管(16)连接到水泵槽(18)底部的出水口。
2.如权利要求1所述的一种溃坝循环水槽，其特征在于，实验水槽(23)底部还设置有垂直于水流方向的凹形槽(34)，位于溃坝闸门门板(22)下方对应位置，凹形槽(34)内填充密封橡胶条(36)，密封橡胶条(36)的上表面与实验水槽(23)底部的上表面平齐。
3.如权利要求1所述的一种溃坝循环水槽，其特征在于，下游水槽底部还设置有垂直于水流方向的凹形槽(34)；还包括排水挡板，排水挡板下部还设置有与凹形槽(34)配合的T形连接构件(33)；所述排水闸门(11)替换为排水挡板，排水挡板通过T形连接构件(33)固定在凹形槽(34)。
4.如权利要求1所述的一种溃坝循环水槽，其特征在于，溃坝闸门门板(22)的两端分别通过竖直滑块连接构件(39)连接有竖直滑块(40)；溃坝闸门的左、右支架(7)的凹槽中还设置有与竖直滑块(40)配合的竖直滑动轨道(37)；溃坝闸门的左、右支架(7)的凹槽内边缘还填充有竖直密封橡胶条(38)。
5.如权利要求1所述的一种溃坝循环水槽，其特征在于，实验水槽(23)的出水口和蓄水槽之间还设置有缓冲箱(25)。
6.如权利要求1所述的一种溃坝循环水槽，其特征在于，下游水槽底部还设置有垂直于水流方向的凹形槽(34)；还包括消波端(9)，消波端(9)下部还设置有与凹形槽(34)配合的T形连接构件(33)；消波端(9)通过T形连接构件(33)固定在凹形槽(34)；还包括造波机(1)，造波机(1)设置在上游水槽。
7.如权利要求1所述的一种溃坝循环水槽，其特征在于，上游水槽底部还设置有垂直于水流方向的第一凹形槽；还包括均流箱(2)，均流箱(2)下部还设置有与第一凹形槽配合的T形连接构件(33)，均流箱(2)通过T形连接构件(33)固定在第一凹形槽；下游水槽底部还设置有垂直于水流方向的第二凹形槽；还包括排水挡板，排水挡板下部还设置有与第二凹形槽配合的T形连接构件(33)；所述排水闸门(11)替换为排水挡板，排水挡板通过T形连接构件(33)固定在第二凹形槽。
8.如权利要求1-7任意一项所述的一种溃坝循环水槽，其特征在于，所述溃坝循环水槽整体置于水槽整体支架(21)中，水槽整体支架(21)的四个端脚分别连接有千斤顶(24)；还包括销铰构件(20)，销铰构件(20)连接到水槽整体支架(21)下部，位于溃坝闸门下方。
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