CN108107922B - 一种快速调节水槽均匀流的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速调节水槽均匀流的方法与装置，该装置是用于直角三角形量水堰的开度可以精准调节的量水堰尾门，包括量水堰、传动系统、堰槽和水槽尾部段；其尾门开度及水槽底坡基于直角三角形量水堰泄流公式和谢才公式推导得出，实现了均匀流调节参数的定量化计算；该方法利用上述装置快速调节水槽均匀流：包括确定水槽糙率、计算调节参数、系统初步调节、尾门精细调节和底坡精细调节等步骤。本发明的方法与装置克服了常规尾门调节时需要反复逼近的模糊性，降低了对研究人员经验的依赖，有助于水槽均匀流条件的快速获取，可节省调节时间一半以上，大大提高试验效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种水利试验方法与装置，具体涉及一种快速调节水槽均匀流的方法与装置。
背景技术
水槽是水利试验中一种重要基础设备，在水力学基础理论和水利工程问题的研究中不可或缺。以常见矩形可变坡循环水槽为例，其基本结构包括储水供水系统、底坡调节系统、尾门和水槽四部分，前三部分分别对应流量Q、水槽底坡S和尾门过流特性的调节。尾门过流特性是指通过尾门的流量与尾部水深的关系，通过尾门开度进行调节，同一尾部水深可以得到不同的泄流量，进而得到不同的实验水流条件。
均匀流条件是利用水槽开展研究时最常见的一种水流条件，为得到充足的试验资料，往往需要设置足够数量的试验工况。均匀流条件的获取需要通过入口流量、底坡和尾门的综合调节来实现，这就使得均匀流调节成为水槽试验中的一项重要技术。现有条件下，流量和底坡都可以实现定量精准调节，其中流量是一个孤立参数，准确调节后基本不受其他参数影响。然而，水流对底坡和尾门的变化敏感度都很低，需要较长的反应时间，因此难以快速确定相应水流条件对应的调节值。现有技术往往需要反复调整尾门开度与底坡的组合，不断逼近所需水流条件，如果尾门开度不能定量调节或调节精度过低，则在调节的后期极易出现超调的现象，导致严重的重复工作。因此尾门开度的精准调节就成为制约均匀流调节和水槽利用效率的关键因素。
尾门的结构形式直接决定了尾门开度调节的方式和精准度。常见的平板式、叠梁式、直立叶片式和斜拉孔板式等尾门对于过流特性的控制往往是模糊的，因此在使用中基本都是前文所述的模式，耗时巨大，且对实验人员的经验有很强的依赖，严重影响试验效率。综上所述，非常有必要对水槽尾门结构和均匀流调节方法进行改进。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种快速调节水槽均匀流的方法与装置，利用可以定量精准调节开度的水槽尾门，通过理论推导得到特定均匀流对应的水槽底坡及尾门开度的定量计算方法，解决传统尾门调节均匀流过于模糊的难题，减轻对研究人员经验的依赖，从而实现均匀流条件的快速调节，提高水槽试验效率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的快速调节水槽均匀流的装置，包括量水堰、传动系统、堰槽和水槽尾部段，其特征在于：
所述量水堰是上部设有直角三角形过流口的平板，用以测量过堰流量；
所述堰槽上具有供量水堰上下移动的量水堰轨道，以及供传动带运动的传动带孔；
所述传动系统包括传动带、上连杆、上滚轮、下连杆与下滚轮，所述传动带穿过量水堰轨道和传动带孔并绕在上滚轮及下滚轮上，所述上滚轮与上连杆连接，所述上连杆由堰槽顶部两端的连杆支座支撑，并由固定在连杆支座上的步进电机驱动，所述下连杆与下滚轮设置在堰槽底端内部。
作为优选，所述堰槽一侧设有与量水堰轨道连通的观测窗，观测窗旁边设有第一刻度尺，当量水堰过流口底部与水槽底部齐平时，量水堰顶部指向第一刻度尺的零点；所述堰槽上游依次为沉沙池和水槽，所述水槽边壁上垂直水槽床面设置用于读取水槽尾部水深的第二刻度尺，第二刻度尺的零点与水槽内部底面齐平。
作为优选，所述传动带孔的截面尺寸略大于传动带的截面尺寸。
作为优选，所述观测窗以透明玻璃密封填充。
发明同时提出使用上述装置快速调节水槽均匀流的方法，包括以下步骤：
步骤1，确定水槽糙率：通过查阅水力学相关资料或率定试验，确定综合曼宁系数n；
步骤2，计算调节参数：根据实验工况设计的均匀流目标水深H、流速U、流量Q等已知参数，计算各工况对应的尾门高度h及水槽底坡S；
步骤3，系统初步调节：通过供水系统调节所需流量，同时调节尾门及底坡至计算值；
步骤4，尾门精细调节：待水流条件稳定后，通过刻度尺二读取水槽尾部水深与目标水深的差值，按相应差值反向调节尾门高度，即可获得最终的尾门调节方案；
步骤5，底坡精细调节：尾门精细调节对应水流条件稳定后，观察沿程水深是否与均匀流目标水深吻合，视具体差别对底坡进行微调，即可获得目标均匀流条件；
步骤6，对于直角三角形量水堰尾门，所述尾门高度h及水槽底坡S分别采用下式计算：
h＝H-100*(Q/1400)0.4
式中流量Q的单位为L/s，B、h和H单位为cm。
使用时，量水堰尾门装置的结构主要包括量水堰、传动系统、堰槽和水槽尾部段。量水堰为一平板，上部设置为直角三角形过流口用以测量过堰流量，量水堰可沿堰槽的量水堰轨道上下移动；量水堰上下端的两侧分别连接传动带，所述传动带由连杆上的滚轮带动，所述连杆由堰槽顶部两端的连杆支座支撑，并由固定在连杆支座上的步进电机驱动，所述步进电机可以实现正反两个方向的精准控制；所述堰槽底端内部也设置同样规格的连杆及滚轮，传动带通过量水堰轨道和传动带孔绕在上下两个滚轮上，以保证其准确运转，所述传动带孔的截面尺寸比传动带截面尺寸稍大；所述堰槽一侧设有与量水堰轨道连通的观测窗，以透明玻璃密封填充，并在观测窗的旁边设置刻度尺一，当量水堰的过流口底部与水槽底部齐平时，量水堰顶部指向刻度尺一的零点；所述堰槽上游依次为沉沙池和水槽，所述水槽边壁上垂直水槽床面设置刻度尺二，用于读取水槽尾部水深，刻度尺二的零点与水槽内部底面齐平。
以下分析本发明的原理基础和操作步骤。
对于一个特定的规则水槽，其宽度B为常数，当入口流量Q、底坡S及尾门开度均固定时，水流最终将发展为恒定流。若稳定后的水流沿程水深相同，则相应称为恒定均匀流条件，简称均匀流。以直角三角形量水堰尾门为例，水流恒定后过堰流量与入口流量Q相等，且与堰上水头He符合式(1)的关系。
式中He为量水堰过流口底部至稳定水面的高度。
因此，若要调整水槽尾部水深为均匀流目标水深H，只需要调整量水堰过流口底部高度h为H与He的差值即可，对应上述装置即调整量水堰使其顶部对应的刻度尺读数为h。根据公式(1)可得到h的计算方法如(2)式所示：
h＝H-100*(Q/1400)0.4 (2)
式中流量Q单位采用L/s，各水深参数单位以cm计，下同。
以上调整可保证水流稳定后，水槽尾部水深为均匀流目标水深H，但为形成目标均匀流条件，还须保证水槽沿程水深均为H，此时就需要调整水槽底坡S，使水力坡降J＝S。
对于均匀流，断面平均流速U可通过谢才公式计算：
式中，流速U单位以cm/s计，C和R分别为谢才系数和水力半径：
联立公式(3)～(5)整理可得均匀流对应底坡S的计算公式为：
因此，当水槽的曼宁系数n已知，对于给定流量Q和目标水深为H的均匀流，相应底坡S可由式(6)计算得到。其中水槽的曼宁系数n可根据水槽材料属性查阅相关资料或通过率定实验得到。不同水槽虽然有不同的特性，但对于一个特定水槽，糙率及几何参数一般为恒定值，通过率定实验也可以对本发明相应公式进行适当修正，可进一步提高实验效率。
基于以上分析，提出利用量水堰尾门快速调节水槽均匀流的操作流程：
(1)确定水槽糙率：可查阅水力学相关资料，或通过率定试验获取；
(2)计算调节参数：根据实验工况设计的均匀流目标水深H、流速U、流量Q等已知参数，采用公式(2)和公式(6)计算各工况对应的尾门高度h及水槽底坡S；
(3)系统初步调节：通过供水系统调节所需流量，同时调节尾门及底坡至计算值；
(4)尾门精细调节：待水流条件稳定后，通过刻度尺二读取水槽尾部水深与目标水深的差值，按相应差值反向调节尾门高度，即可获得最终的尾门调节方案。
(5)底坡精细调节：尾门精细调节对应水流条件稳定后，观察沿程水深是否与均匀流目标水深吻合，视具体差别对底坡进行微调，即可获得目标均匀流条件。
值得说明的是，虽然三角堰过流公式(1)在计算过堰流量时具有一定的适用条件，但本发明所述装置的重点在于，将尾门开度通过量水堰高度直接定量调节，因此，即使目标均匀流流量超出了公式(1)的适用范围，在水流稳定后仍然会有一个对应的堰上水头，此时仍可直接读出尾门需要精细调节的量值，从而通过初步调节和精细调节两个步骤实现尾门的精准调节。此外，本发明虽针对大中型水槽设计，相应方法和装置只需适当加以改进和标定，也可用于水工、河工物理模型实验水位条件的快速调节中。
有益效果：本发明推导得到了水槽均匀流主要调节参数底坡和尾门开度的定量计算公式，优化了均匀流系统调节的流程步骤，所研制的量水堰尾门可以实现尾门开度的精准调节，从而可有效避免常规尾门调节时需要反复逼近的模糊性，降低对研究人员经验的依赖，有助于水槽均匀流条件的快速获取，可节省调节时间一半以上，大大提高试验效率。
除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在其基础上未经创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图说明
图1为本发明实施例中量水堰尾门装置的整体示意图；
图2为图1中量水堰及传动系统示意图；
图3为图1中堰槽的结构示意图；
图4为图1中水槽尾部段的结构示意图；
图中：1为量水堰，21为传动带，22为滚轮，23为连杆，24为步进电机，31为量水堰轨道，32为连杆支座，33为观测窗，34为刻度尺一，35传动带孔，41为水槽，42为沉沙池，43为刻度尺二。
具体实施方式
实施例：
以直角形三角堰为例，本实施例的量水堰尾门装置如图1-图4所示，主要包括量水堰、传动系统、堰槽和水槽尾部段。量水堰1为一平板，上部设置为直角三角形过流口用以测量过堰流量，量水堰1可沿堰槽的量水堰轨道31上下移动；量水堰1上下端的两侧分别连接传动带21，所述传动带21由连杆23上的滚轮22带动，所述连杆23由堰槽顶部两端的连杆支座32支撑，并由固定在连杆支座32上的步进电机24驱动，所述步进电机24可以实现正反两个方向的精准控制；所述堰槽底端内部也设置同样规格的连杆23及滚轮22，传动带21通过量水堰轨道31和传动带孔35绕在上下两个滚轮22上，以保证其准确运转，所述传动带孔35的截面尺寸比传动带21截面尺寸稍大；所述堰槽一侧设有与量水堰轨道31连通的观测窗33，以透明玻璃密封填充，并在观测窗33的旁边设置刻度尺一34，当量水堰1的过流口底部与水槽底部齐平时，量水堰1顶部指向刻度尺一34的零点；所述堰槽上游依次为沉沙池42和水槽41，所述水槽41边壁上垂直水槽41床面设置刻度尺二43，用于读取水槽尾部水深，刻度尺二43的零点与水槽41内部底面齐平。
在实施例中，假定一变坡循环玻璃水槽宽度为50cm，综合曼宁系数n为0.01，设置12组均匀流工况，水深均为H＝25cm，相应流量Q及断面平均流速U列于表1第2、3列。根据本发明，各工况需要调节的尾门开度h及水槽底坡S计算结果分别如表1中第5、6列所示。
在试验操作时，对于某一工况，首先将量水堰尾门高度h和水槽底坡S分别调整为对应数值，再调节入口流量Q为对应值；待水流稳定后，根据水槽尾部水深与目标水深差值，反向调节尾门高度，水流再次稳定后即可得到设定的水槽尾部水深；此时检查沿程水深是否均为目标水深，若有差别则对底坡做相应微调，若无差别则完成均匀流条件调节。
对于尾门的微调进一步举例如说明，水流稳定后，通过刻度尺二读得水槽尾部水深比目标均匀流水深大2mm，则通过步进电机24将量水堰1降低2mm，即完成尾门调节。后续底坡如需微调也不再受尾门的影响。
表1实施例参数计算表
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种快速调节水槽均匀流的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，确定水槽糙率：通过查阅水力学相关资料或率定试验，确定综合曼宁系数n；
步骤2，计算调节参数：根据实验工况设计的已知参数-均匀流目标水深H、水槽过水宽度B、流量Q，计算各工况对应的尾门高度h及水槽底坡S；
对于直角三角形量水堰尾门，所述尾门高度h及水槽底坡S分别采用下式计算：h＝H-100*(Q/1400)0.4
式中流量Q的单位为L/s，B、h和H的单位为cm；
步骤3，系统初步调节：通过供水系统调节所需流量，同时调节尾门及底坡至计算值；
步骤4，尾门精细调节：待水流条件稳定后，通过第二刻度尺读取水槽尾部水深与目标水深的差值，按相应差值反向调节尾门高度，即可获得最终的尾门调节方案；
步骤5，底坡精细调节：尾门精细调节对应水流条件稳定后，观察沿程水深是否与均匀流目标水深吻合，视具体差别对底坡进行微调，即可获得目标均匀流条件；应用该方法的装置包括量水堰、传动系统、堰槽和水槽尾部段，
所述量水堰是上部设有直角三角形过流口的平板，用以测量过堰流量；
所述堰槽上具有供量水堰上下移动的量水堰轨道，以及供传动带运动的传动带孔；所述传动系统包括传动带、上连杆、上滚轮、下连杆与下滚轮，所述传动带穿过量水堰轨道和传动带孔并绕在上滚轮及下滚轮上，所述上滚轮与上连杆连接，所述上连杆由堰槽顶部两端的连杆支座支撑，并由固定在连杆支座上的步进电机驱动，所述下连杆与下滚轮设置在堰槽底端内部。
2.根据权利要求1所述的快速调节水槽均匀流的方法，其特征在于：所述堰槽一侧设有与量水堰轨道连通的观测窗，观测窗旁边设有第一刻度尺，当量水堰过流口底部与水槽底部齐平时，量水堰顶部指向第一刻度尺的零点；所述堰槽上游依次为沉沙池和水槽，所述水槽边壁上垂直水槽床面设置用于读取水槽尾部水深的第二刻度尺，第二刻度尺的零点与水槽内部底面齐平。
3.根据权利要求1所述的快速调节水槽均匀流的方法，其特征在于：所述传动带孔的截面尺寸大于传动带的截面尺寸。
4.根据权利要求2所述的快速调节水槽均匀流的方法，其特征在于：所述观测窗以透明玻璃密封填充。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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