CN108051179A - 明渠湍流控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种明渠湍流控制装置，控制板、进水端和出水端，通过控制板、进水端和出水端使上游来水经过粗糙或者曲面的不规则的径流截面产生湍流场，通过流经的水流在控制板边界产生层效应，沿明渠的水流产生一个强烈的湍流场且沿程紊动强度持续衰减，形成水流特性，通过进水端和出水端使水流流线与湍流控制板恰当的衔接，壁湍流贴近控制板的水流产生不同表面特征约束控制水流，达到对壁湍流的检测控制。克服了原明渠水槽实验仪器采集的数据分辨率低、误差大的问题原。本发明具有结构简单，增强壁湍流的紊动强度，提高实验数据采集的可靠性和准确性的特点。
Description
技术领域
本发明属于流体力学壁湍流控制技术领域，涉及一种明渠湍流控制装置。
背景技术
湍流运动广泛存在于自然界的明渠水流中，了解壁湍流运动的水力特性对于工程实际问题具有十分重要的现实意义，如: 泥沙运动的规律、河流污染物的扩散、含植物明渠的水动力特性等。传统上研究壁湍流主要为了达到对壁湍流的控制效果，以减少壁面阻力为目的，对高速运动的物体施加流动控制来有效的降低壁面阻力，增加飞行器的推进效率和稳定性。壁湍流控制有被动控制和主动控制两种方式，主要有沟槽面法、开孔法、横向肋条法、功能材料减阻法、抽吸法、大涡破碎器法等。
1.沟槽面法,通过在壁面沿流向上开辟满足一定条件的微小沟槽，能够减弱和抑制流场生成流向涡结构，以达到减少阻力的目的，但缺点是沟槽容易被油污、尘埃等杂质堵塞而失效，需要经常清洗。
2.开孔法，通过在壁面设置恰当的菱形网状圆坑点点阵结构，这种结构能形成一种特殊流态，是其获得减阻的主要原因，但在空气中能否达到和在水中相同的大幅度减阻，有待进一步的研究。
3.横向肋条法，将垂直于流动方向的小尺寸肋条按一定的间隔距离固定在平板上，分析得出壁湍流表面摩擦阻力减少是由于平均速度分布的改变导致的，但在实际应用中还存在一定的局限性。
4.抽吸法，减阻原理主要是通过向壁面边界层内喷高速流体和吸走低速流体，这样可以降低流畅中的压差阻力，抑制湍流边界层的分离，提高了流场边界层的稳定性，并能够达到降阻的效果。
5.大涡破碎器法，把展向薄板条水平安置在上游近壁面出（小于边界层的厚度），能够有效打碎流场中的大涡结构，是湍流猝发减弱，能够获得明显降阻的效果。
这5种方法是目前壁湍流控制比较成熟的方法，各有优缺点，技术实现起来都比较的复杂和困难，且它们的主要功能均是减少壁面阻力。因此，本发明提出了一种湍流控制板的功能，克服了一般实验室明渠水槽产生的平均流速较低，平均雷诺数较小、平均湍流强度较弱，使得实验仪器采集的数据分辨率低、误差大的问题，用来增强壁湍流的紊动强度，有别于传统的壁湍流控制只能降阻的局限性，为低雷诺数明渠湍流实验研究壁湍流提供可行的研究装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种明渠湍流控制装置，结构简单，设置于明渠中底部，用来解决一般实验室明渠产生的壁湍流较弱的问题，增强壁湍流的紊动强度，提高实验数据采集的可靠性和准确性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种明渠湍流控制装置，该装置为块状体，它包括控制板、进水端和出水端；所述的控制板为水平的板，底部光滑平整；所述的进水端由多段半圆弧组成的弧形结构体；所述的出水端由椭圆形弧面组成的结构体；进水端和出水端分别与控制板两端头连接，底部与控制板底部处于同一面上位于明渠中部与渠底接触，进水端位于来水方向。
所述的进水端由第一四分之一圆柱体和第二四分之一圆柱体相切组合而成，第一四分之一圆柱体和第二四分之一圆柱体的半径为控制板厚度的一半。
所述的出水端由四分之一椭圆柱体构成，椭圆的短半轴与控制板的高度相同，长半轴为短半轴的一倍。
所述的控制板为实心板块。
所述的控制板、进水端或出水端为多孔结构。
所述的控制板与水流接触的上表面为粗糙的平整表面、光滑的曲面或粗糙的曲面，曲面为圆弧曲面、椭圆弧曲面、正弦函数曲面或仿河道地形曲面等。
所述的控制板、进水端或出水端的材料为混泥土、玻璃材料、金属材料或塑料材料。
一种明渠湍流控制装置，该装置为块状体，它包括控制板、进水端和出水端；控制板为水平的板，底部光滑平整；进水端由多段半圆弧组成的弧形结构体；出水端由椭圆形弧面组成的结构体；进水端和出水端分别与控制板两端头连接，底部与控制板底部处于同一面上位于明渠中部与渠底接触，进水端位于来水方向。结构简单，通过控制板、进水端和出水端使上游来水经过粗糙或者曲面的不规则的径流截面产生湍流场，通过流经的水流在控制板边界产生层效应，沿明渠的水流产生一个强烈的湍流场且沿程紊动强度持续衰减，形成水流特性，通过进水端和出水端使水流流线与湍流控制板恰当的衔接，壁湍流贴近控制板的水流产生不同表面特征约束控制水流，达到对壁湍流的检测控制，该装置设置于明渠中底部，解决明渠产生的壁湍流较弱的问题，增强壁湍流的紊动强度，提高实验数据采集的可靠性和准确性。
在优选的方案中，进水端由第一四分之一圆柱体和第二四分之一圆柱体相切组合而成，第一四分之一圆柱体和第二四分之一圆柱体的半径为控制板厚度的一半。通过实验数据进水端采用半圆弧且圆弧半径为控制板厚度的一半时，水流阻力最小，流经的水最容易产生涡旋，提高湍流强度。
在优选的方案中，出水端由四分之一椭圆柱体构成，椭圆的短半轴与控制板的高度相同，长半轴为短半轴的一倍。通过实验数据出水端采用椭圆结构，且椭圆的短半轴与控制板的高度相同，长半轴为短半轴的一倍时，水流平稳，流经的水流不易产生较大的涡旋，可逐步减弱湍流强度，避免强湍流对明渠的冲刷。
在优选的方案中，控制板为实心板块。水流经过实心板块产生的涡旋平稳、均衡，便于相关设备检测控制平稳的壁湍流。
在优选的方案中，控制板、进水端或出水端为多孔结构。水流经过多孔结构的板块产生的涡旋紊动强度和频率不同，便于相关设备检测控制不同状态的壁湍流。
在优选的方案中，控制板与水流接触的上表面为粗糙的平整表面、光滑的曲面或粗糙的曲面，曲面为圆弧曲面、椭圆弧曲面、正弦函数曲面或仿河道地形曲面等。根据不同的水流径面或相互结合的径流截面检测控制不同工况下的壁湍流。
在优选的方案中，控制板、进水端或出水端的材料为混泥土、玻璃材料、金属材料或塑料材料。根据水流的密度、水质的酸碱度和含砂量选择不同材料来提高相关的使用寿命和检测控制精度。
本发明提供的一种明渠湍流控制装置，控制板、进水端和出水端，通过控制板、进水端和出水端使上游来水经过粗糙或者曲面的不规则的径流截面产生湍流场，通过流经的水流在控制板边界产生层效应，沿明渠的水流产生一个强烈的湍流场且沿程紊动强度持续衰减，形成水流特性，通过进水端和出水端使水流流线与湍流控制板恰当的衔接，壁湍流贴近控制板的水流产生不同表面特征约束控制水流，达到对壁湍流的检测控制。克服了原明渠水槽实验仪器采集的数据分辨率低、误差大的问题。本发明具有结构简单，增强壁湍流的紊动强度，提高实验数据采集的可靠性和准确性的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的使用状态图。
图2为图1的侧视示意图。
图3为图2的A-A处剖视示意图。
图4为本发明的结构示意图。
图5为本发明的另一种结构示意图。
图6为本发明的另一种结构示意图。
图7为本发明的另一种结构示意图。
图8为本发明的另一种结构示意图。
图中：控制板1，进水端2，第一四分之一圆柱体21，第二四分之一圆柱体22，出水端3，四分之一椭圆柱体31，明渠4。
具体实施方式
如图1~图8中，一种明渠湍流控制装置，该装置为块状体，它包括控制板1、进水端2和出水端3；所述的控制板1为水平的板，底部光滑平整；所述的进水端2由多段半圆弧组成的弧形结构体；所述的出水端3由椭圆形弧面组成的结构体；进水端2和出水端3分别与控制板1两端头连接，底部与控制板1底部处于同一面上位于明渠4中部与渠底接触，进水端2位于来水方向。结构简单，通过控制板1、进水端2和出水端3使上游来水经过粗糙或者曲面的不规则的径流截面产生湍流场，通过流经的水流在控制板1边界产生层效应，沿明渠的水流产生一个强烈的湍流场且沿程紊动强度持续衰减，形成水流特性，通过进水端2和出水端3使水流流线与湍流控制板恰当的衔接，壁湍流贴近控制板1的水流产生不同表面特征约束控制水流，达到对壁湍流的检测控制，该装置设置于明渠中底部，解决明渠产生的壁湍流较弱的问题，增强壁湍流的紊动强度，提高实验数据采集的可靠性和准确性。
优选的方案中，所述的进水端2由第一四分之一圆柱体21和第二四分之一圆柱体22相切组合而成，第一四分之一圆柱体21和第二四分之一圆柱体22的半径为控制板1厚度的一半。通过实验数据进水端2采用半圆弧且圆弧半径为控制板1厚度的一半时，水流阻力最小，流经的水最容易产生涡旋，提高湍流强度。
优选的方案中，所述的出水端3由四分之一椭圆柱体31构成，椭圆的短半轴与控制板1的高度相同，长半轴为短半轴的一倍。通过实验数据出水端3采用椭圆结构，且椭圆的短半轴与控制板1的高度相同，长半轴为短半轴的一倍时，水流平稳，流经的水流不易产生较大的涡旋，可逐步减弱湍流强度，避免强湍流对明渠的冲刷。
优选的方案中，所述的控制板1为实心板块。水流经过实心板块产生的涡旋平稳、均衡，便于相关设备检测控制平稳的壁湍流。
优选的方案中，所述的控制板1、进水端2或出水端3为多孔结构。水流经过多孔结构的板块产生的涡旋紊动强度和频率不同，便于相关设备检测控制不同状态的壁湍流。
优选的方案中，所述的控制板1与水流接触的上表面为粗糙的平整表面、光滑的曲面或粗糙的曲面，曲面为圆弧曲面、椭圆弧曲面或正弦函数曲面。根据不同的水流径面或相互结合的径流截面检测控制不同工况下的壁湍流。
优选的方案中，所述的控制板1、进水端2或出水端3的材料为混泥土、玻璃材料、金属材料或塑料材料。根据水流的密度、水质的酸碱度和含砂量选择不同材料来提高相关的使用寿命和检测控制精度。
Claims (7)
1.一种明渠湍流控制装置，其特征是：该装置为块状体，它包括控制板（1）、进水端（2）和出水端（3）；所述的控制板（1）为水平的板，底部光滑平整；所述的进水端（2）由多段半圆弧组成的弧形结构体；所述的出水端（3）由椭圆形弧面组成的结构体；进水端（2）和出水端（3）分别与控制板（1）两端头连接，底部与控制板（1）底部处于同一面上位于明渠（4）中部与渠底接触，进水端（2）位于来水方向。
2.根据权利要求1所述的明渠湍流控制装置，其特征是：所述的进水端（2）由第一四分之一圆柱体（21）和第二四分之一圆柱体（22）相切组合而成，第一四分之一圆柱体（21）和第二四分之一圆柱体（22）的半径为控制板（1）厚度的一半。
3.根据权利要求1所述的明渠湍流控制装置，其特征是：所述的出水端（3）由四分之一椭圆柱体（31）构成，椭圆的短半轴与控制板（1）的高度相同，长半轴为短半轴的一倍。
4.根据权利要求1所述的明渠湍流控制装置，其特征是：所述的控制板（1）为实心板块。
5.根据权利要求1所述的明渠湍流控制装置，其特征是：所述的控制板（1）、进水端（2）或出水端（3）为多孔结构。
6.根据权利要求1所述的明渠湍流控制装置，其特征是：所述的控制板（1）与水流接触的上表面为粗糙的平整表面、光滑的曲面或粗糙的曲面，曲面为圆弧曲面、椭圆弧曲面、正弦函数曲面或仿河道地形曲面等。
7.根据权利要求1~6任一所述的明渠湍流控制装置，其特征是：所述的控制板（1）、进水端（2）或出水端（3）的材料为混泥土、玻璃材料、金属材料或塑料材料。
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