CN108398237A - 一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置及方法。该装置包括平坡水槽，斜坡水槽，激光仪，CCD相机，液压千斤顶，承重平台，排水导管，阀门开关，滑轮，导杆，导轨；还包括刻度尺。一种模拟异重流在峡谷中运动的试验方法，包含有以下步骤：试验搭建过程、试验过程、整理试验装置及数据分析过程。本发明装置结构简单、成本低廉，功能多样；可适用工况广泛，试验精度高；能模拟异重流在峡谷中遇到植被和地形突变的流动过程；试验过程操作方便，试验效率高，试验设计灵活等优点。试验结果可以为研究异重流的水动力特性提供数据，具有较高的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种水利工程的试验水槽系统，具体涉及一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置及方法。
背景技术
异重流，又称为密度流，是因为密度差异使得其中一种流体沿着交界面流动，在流动过程中不与其他流体发生全局性掺混的现象。异重流现象在自然界和工程界非常普遍，常见有发电厂温排水、河口区域盐水楔、水库排沙、沙层暴、雪崩等现象。异重流按形成原因分为三类：温度差异异重流、盐度差异异重流、颗粒异重流。
异重流在自然界和工程界的普遍性和重要性，对国民经济建设、环境保护等方面有着十分重要的作用。利用异重流研究雷暴天气，对海岸港区和河口航道清淤；利用异重流通过坝底孔排沙，减少淤积量等；异重流运动过程中的掺混和交换现象的机理，影响交界面阻力的因素，异重流的不恒定流运动等问题，这些都是异重流研究的难点和热点问题。
现已公布的专利方案中，国内外已经给出多种异重流研究的水槽系统，但水槽系统均为矩形断面，对于模拟峡谷异重流具有局限性，而本实验装置采用多边形断面，上部为矩形，下部为等腰梯形，与峡谷形状具有很强的可比性；已开展的异重流试验过程中大多存在着装置模型构件繁多，结构复杂，每次试验过程需重新制作模型从而导致的试验成本过高等问题；同时已有模型试验设计中，鲜有考虑研究异重流遭遇植被、地形突变情况的流动过程装置的技术方案。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置及方法。
该试验装置系统结构简单，操作方便；能模拟异重流在峡谷中运动遭遇植被和地形突变的试验工况；通过该试验装置系统弥补了以往传统异重流试验中模拟异重流类型的单一性，成功实现了对不同类型异重流模拟的试验装置系统，并能提高对异重流分析与研究的可靠性、准确性和科学性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置，包括平坡水槽、斜坡水槽、储水箱、激光仪、CCD相机、闸门和液压千斤顶；平坡水槽与斜坡水槽采用铰接方式直接连通，斜坡水槽和储水箱采用铰接方式但是通过闸门隔开。
所述的水槽内部设置可拉升闸门，该闸门将储水箱和斜坡水槽隔开，水槽上方安装可移动激光仪，侧面安装CCD相机。
所述的平坡水槽装有排水设施并且采用固定在不可移动承重台上。
所述的平坡水槽、斜坡水槽、储水箱断面均采用组合图形，上方为矩形、下方等腰梯形。平坡水槽两端断面尺寸一致，斜坡水槽断面尺寸由左向右逐渐递减，最左侧与平坡水槽断面尺寸一致，最右侧与储水箱断面尺寸一致。
进一步说，所述平坡水槽、斜坡水槽、储水箱的壁面采用亚克力板，所述储水箱通过液压千斤顶与方形承重板相连，方形承重板通过导杆与三个滑轮相连接，并且滑轮平面投影中两两夹角为120°。
进一步说，所述液压千斤顶高度可调，通过控制液压千斤顶的高低而控制斜坡水槽的坡度。
进一步说，CCD相机放置于CCD相机移动平台上，并且可以通过计算机控制随激光仪同步移动。
进一步说，所述的平坡水槽最右侧的壁面上带有刻度尺。
一种模拟异重流在峡谷中运动的试验方法，采用上述试验装置，试验过程为：
a.准备
将闸门保持紧闭状态，向闸门靠近的斜坡水槽一侧注入清水，即闸门左侧，向闸门另一侧注入重流体，即闸门右侧，清水与重流体均保持同一高度；CCD相机和激光仪保持开机状态。
b.试验
试验过程中可调节参数如下：斜坡水槽坡度、附加模型变化，包含有植被、地形突变。
工况A：斜坡水槽坡度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，改变斜坡水槽坡度，注入清水和重流体至同一高度，待界面稳定后迅速提升闸门，即可实现不同坡度条件下的异重流水动力特性研究。
工况B：附加模型（植被）变化工况
闸门保持紧闭状态，在斜坡水槽安装不同长度、高度、密度和排列方式的刚性植被（圆木棍等）和柔性植被（棕榈、塑料草、沙盘模型等）；闸门左侧注入清水、右侧注入一定浓度的重流体，待二者水面齐平且界面稳定后，迅速提升闸门，即可实现异重流在峡谷中运动遭遇不同类型植被的水动力特性研究。
工况C：附加模型（地形突变）变化工况
闸门保持紧闭状态，在斜坡水槽安装不同高度、宽度和形状（三角形、矩形等）的地形障碍物；闸门左侧注入清水、右侧注入一定浓度的重流体，待二者水面齐平且界面稳定后，迅速提升闸门，即可实现异重流在峡谷中运动遭遇不同类型地形突变的水动力特性研究。
其他工况：耦合工况
在试验中根据实际需求，通过改变斜坡水槽坡度，选择安装不同附加模型（植被和障碍物），实现水槽坡度、附加模型变化耦合条件下的异重流水动力特性研究。
另上述试验进行过程中，首先通过一台CCD相机记录异重流全程运动过程，然后通过粒子图像测速系统（CCD相机和激光仪）移动观测异重流头部的速度场、涡度场和能量场的变化情况。
c.整理仪器
试验结束，整理试验器材，恢复试验前状态。
d.数据处理及分析
试验结束将异重流的运动过程视频和局部精细化视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论。
本发明的有益效果：
1、本发明装置主体采用亚克力板和铝合金，结构稳定，水槽壁面便于观测并减少对异重流流动的影响。
2、本发明装置采用多边形形状断面，上部为矩形，下部为等腰梯形。对于峡谷形状有很强的可比性，所得试验数据具有很强的科学性和可靠性。
3、本发明装置能够模拟闸门释放、入流阶段开始发展的组分异重流和颗粒异重流；实验操作简便，效果显著，适合推广。
4、本发明装置的颗粒异重流采用玻璃粉配置，玻璃粉不易发生絮凝且粒径几乎一致，并且具有沉降的特点，是模拟非粘性异重流的优选模型。
5、本发明装置采用开闸式异重流，可方便实现探索开闸式异重流在峡谷中运动过程的水动力学特性的目的。通过附加模型组合可实现探究开闸式异重流在遭遇植被和地形突变的运动特性的目的。针对开闸式异重流试验装置，本发明构件组合设计灵活，可靠性强。
6、本发明装置采用高速摄像机实时记录异重流全程运动过程，并利用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）等技术手段进行精细化水力过程试验，获取异重流局部速度场、涡度场和能量场变化。试验数据精度高，数值获取实时性强，试验过程操作简洁方便。
综上所述，本试验装置设计新颖，整体性好，结构简单，装置构件组合设计灵活，可靠性强；可适用工况广泛，尤其针对安置附加模型试验工况；应用高速摄像机记录异重流运动过程和PIV记录异重流局部特性，数据获取实时性强，试验精度高；本试验过程操作简洁方便，具有试验设计灵活性强，过程效率高，可借鉴性显著等优点。
附图说明
图1是本发明的侧视示意图。
图2是本发明的俯视示意图。
图3是本发明安装附加模型（植被）侧视示意图。
图4是本发明安装附加模型（地形突变）侧视示意图。
图5是本发明的水槽断面示意图。
图6是本发明的滑轮导杆细节示意图。
图中：1.平坡水槽，2.阀门开关，3.直角排水管，4承重台，5.刻度尺，6.导轨，7.滑轮，8.激光仪，9.斜坡水槽，10.闸门，11.储水箱，12.液压千斤顶，13.导杆，14.滑轮，15.CCD相机移动平台，16.CCD相机，17方形承重板。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图所示，一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置，包括平坡水槽1、斜坡水槽9、储水箱11、激光仪8、CCD相机16、闸门10和液压千斤顶12；平坡水槽1与斜坡水槽9采用铰接方式直接连通，斜坡水槽9和储水箱11采用铰接方式但是通过闸门隔开。
所述的水槽内部设置可拉升闸门，该闸门将储水箱和斜坡水槽隔开，水槽上方安装可移动激光仪8，侧面安装CCD相机16。
所述的平坡水槽1装有直角排水管3并且采用固定在不可移动承重台4上。
所述的平坡水槽1、斜坡水槽9、储水箱11断面均采用组合图形，上方为矩形、下方等腰梯形，矩形的底边与等腰梯形的长边共用，用于模仿峡谷。平坡水槽1两端断面组合图形尺寸一样，斜坡水槽9断面尺寸由左向右逐渐递减，最左侧与平坡水槽1断面尺寸一致，最右侧与储水箱11断面尺寸一致。
进一步说，所述平坡水槽1、斜坡水槽9、储水箱11的壁面采用亚克力板，所述储水箱11通过液压千斤顶12与方形承重板17相连，方形承重板17通过导杆13与三个滑轮14相连接，并且滑轮14平面投影中两两夹角为120°。
进一步说，所述液压千斤顶12高度可调，通过控制液压千斤顶12的高低而控制斜坡水槽9的坡度。
进一步说，CCD相机16放置于CCD相机移动平台15上，并且可以通过计算机控制随激光仪8同步移动。
进一步说，所述的平坡水槽1最右侧的壁面上带有刻度尺5。
所述一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置，在试验过程中需安放于暗室中，并且可以通过钨丝灯控制室内光照强度。每组试验工况进行两组平行试验，分别记录异重流全程运动过程和头部精细化运动过程。
上述装置的试验方法如下
a.准备
将闸门保持紧闭状态，向闸门靠近的斜坡水槽一侧注入清水20 cm，即闸门左侧，向闸门另一侧注入重流体，即闸门右侧，清水与重流体水面均保持同一高度；CCD相机和激光仪保持开机状态。
b.试验
试验过程中可调节参数如下：斜坡水槽坡度、附加模型变化，包含有植被、地形突变。
工况A：斜坡水槽坡度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，改变斜坡水槽坡度，注入清水和重流体至同一高度，待界面稳定后迅速提升闸门，即可实现不同坡度条件下的异重流水动力特性研究。
工况B：附加模型（植被）变化工况
闸门保持紧闭状态，在斜坡水槽安装不同长度、高度、密度和排列方式的刚性植被（圆木棍等）和柔性植被（棕榈、塑料草、沙盘模型等）；闸门左侧注入清水、右侧注入一定浓度的重流体，待二者水面齐平且界面稳定后，迅速提升闸门至25 cm，即可实现异重流在峡谷中运动遭遇不同类型植被的水动力特性研究。
工况C：附加模型（地形突变）变化工况
闸门保持紧闭状态，在斜坡水槽安装不同高度、宽度和形状（三角形、矩形等）的地形障碍物；闸门左侧注入清水、右侧注入一定浓度的重流体，待二者水面齐平且界面稳定后，迅速提升闸门至25 cm，即可实现异重流在峡谷中运动遭遇不同类型地形突变的水动力特性研究。
其他工况：耦合工况
在试验中根据实际需求，通过改变斜坡水槽坡度，选择安装不同附加模型（植被和障碍物），实现水槽坡度、附加模型变化耦合条件下的异重流水动力特性研究。
另上述试验进行过程中，首先通过一台CCD相机记录异重流全程运动过程，然后通过粒子图像测速系统（CCD相机和激光仪）移动观测异重流头部的速度场、涡度场和能量场的变化情况。
c.整理仪器
试验结束，整理试验器材，恢复试验前状态。
d.数据处理及分析
试验结束将异重流的运动过程视频和局部精细化视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论。
Claims (6)
1.一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置，包括平坡水槽（1）、斜坡水槽（9）、储水箱（11）、激光仪（8）、液压千斤顶（12）、CCD相机（16），闸门（10）；其特征在于：平坡水槽（1）与斜坡水槽（9）采用铰接方式直接连通，斜坡水槽（9）和储水箱（11）采用铰接方式，斜坡水槽（9）和储水箱（11）通过闸门（10）隔开；
所述的平坡水槽（1）与斜坡水槽（9）上方安装可移动激光仪（8），侧面安装CCD相机（16）；
所述的平坡水槽（1）装有排水设施（3）并且固定在不可移动承重台（4）上；
所述的平坡水槽（1）、斜坡水槽（9）、储水箱（11）断面均采用组合图形，上方为矩形、下方为倒置的等腰梯形；平坡水槽（1）两端断面尺寸一致，斜坡水槽（9）断面尺寸由左向右逐渐递减，最左侧与平坡水槽（1）断面尺寸一致，最右侧与储水箱（11）断面尺寸一致。
2.根据权利要求1所述的一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置，其特征在于：平坡水槽（1）、斜坡水槽（9）、储水箱（11）的壁面采用亚克力板，所述储水箱（11）通过液压千斤顶（12）与方形承重板（17）相连，方形承重板（17）通过导杆（13）与三个滑轮（14）相连接，并且滑轮（14）平面投影中两两夹角为120°。
3.根据权利要求2所述的一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置，其特征在于：液压千斤顶（12）高度可调，通过控制液压千斤顶（12）的高低而控制斜坡水槽（9）的坡度。
4.根据权利要求1所述的一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置，其特征在于：CCD相机（16）放置于CCD相机移动平台（15）上，并且可通过计算机控制随激光仪（8）同步移动。
5.根据权利要求1所述的一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置，其特征在于：平坡水槽（1）与斜坡水槽（9）相接的壁面上带有刻度尺（5）。
6.一种模拟异重流在峡谷中运动的试验方法，采用权利要求1所述的装置，其特征在于：
a.准备
将闸门保持紧闭状态，向斜坡水槽一侧注入清水，即闸门左侧，向闸门另一侧注入重流体，即闸门右侧，清水与重流体均保持同一高度；CCD相机和激光仪保持开机状态；
b.试验
试验过程中可调节参数如下：斜坡水槽坡度、附加模型变化，包含有植被、地形突变；
工况A：斜坡水槽坡度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，改变斜坡水槽坡度，待清水和重流体的界面稳定后迅速提升闸门，即可实现不同坡度条件下的异重流水动力特性研究；
工况B：植被附加模型变化工况
闸门保持紧闭状态，在斜坡水槽安装不同长度、高度、密度和排列方式的刚性植被和柔性植被；待清水和重流体的界面稳定后迅速提升闸门，即可实现异重流在峡谷中运动遭遇不同类型植被的水动力特性研究；
工况C：地形突变附加模型变化工况
闸门保持紧闭状态，在斜坡水槽安装不同高度、宽度和形状的地形突变；待清水和重流体的界面稳定后迅速提升闸门，即可实现异重流在峡谷中运动遭遇不同类型地形突变的水动力特性研究；
其他工况：耦合工况
在试验中根据实际需求，通过改变斜坡水槽坡度，选择安装不同附加模型实现水槽坡度、附加模型变化耦合条件下的异重流水动力特性研究；
另上述试验进行过程中，首先通过一台CCD相机记录异重流全程运动过程，然后通过CCD相机和激光仪移动观测异重流头部的速度场、涡度场和能量场的变化情况；
c.整理仪器
试验结束，整理试验器材，恢复试验前状态；
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试验结束将异重流的运动过程视频和局部精细化视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论。
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