CN108871727A - 一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置及方法。该装置包括储水箱，真空泵，泥沙悬浮仪，流量计，导流管，排水管，阀门开关，水槽，滑轮，导杆，导轨；还包括刻度线，十字标定线。一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置的试验方法，包含有以下步骤：试验准备过程、试验过程、整理仪器过程和数据处理及分析过程。本发明装置设计新颖，结构简单，整体性好，可适用工况广泛，试验精度高；能模拟不同异重流浓度、底床粗糙度和地形突变影响下的开闸式和持续入流式异重流流动过程和不同闸门开度下持续入流式异重流运动过程；试验过程操作方便，试验效率高，试验设计灵活等优点。
Description
技术领域
本发明涉及近海工程水力模型试验领域，具体涉及一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置及方法。
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。异重流按形成密度差异的原因分为两类：组分驱动异重流和颗粒驱动异重流。组分驱动异重流又可以分为盐度差异和温度差异形成的异重流，常见有河口盐水楔、发电厂温排水；颗粒驱动异重流常见有海底浊流、浑水异重流等。
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。利用异重流进行水库泄洪以延长水库寿命，恢复下游河道冲刷；温差异重流对农作物灌溉、鱼类繁殖及野生动物保护等提供科学依据，然而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开闸式异重流研究的水槽系统，但对于开闸式和持续入流式两用异重流试验装置的技术方案还较为缺乏；已开展的开闸式和持续入流式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，鲜有考虑研究闸门开度、异重流浓度、底床粗糙度、地形突变四者耦合作用下异重流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，提供了一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置及方法。
该试验装置系统结构简单，操作方便；能模拟不同闸门开度、异重流浓度、底床粗糙度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：
一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置，包括第一储水箱、第二储水箱、第三储水箱、水槽、十字标定线、闸门和泥沙悬浮仪；水槽长度方向上的两端分别设置有直角引流管，通过直角引流管分别与第一储水箱和微型储水箱联通；第二储水箱通过第一引流装置与水槽联通，第一引流装置将第二储水箱中的流体引流至水槽，第三储水箱通过第二引流装置与第二储水箱，第二引流装置将第三储水箱中的流体引流至第二储水箱。
所述的水槽内部设置有闸孔开度可控的闸门，该闸门靠近所述的第一引流装置，水槽的中上部设置有十字标定线，水槽的侧面和上方均设置有高速摄像机。
所述的第一引流装置和第二引流装置结构相同，均包括真空泵、阀门开关和流量计，阀门开关的一端连接真空泵，另一端连接流量计。
所述的第三储水箱中还带有可更换的泥沙悬浮仪。
所述的第一储水箱、第二储水箱、第三储水箱和水槽均装有排水设施。
进一步说，所述第一储水箱、第二储水箱、第三储水箱和水槽的壁面采用亚克力板，所述第一储水箱、第二储水箱、第三储水箱和水槽均过可伸缩的导杆与滑轮连接；所述滑轮设置在轨道上。
进一步说，所述的闸门两侧均有闸门固定装置，闸门提升至一定高度后，闸门固定装置自动固定闸门，使闸门保持静止状态，试验结束后闸门固定装置自动释放，闸门可自由升降。
进一步说，所述泥沙悬浮仪的中心轴与叶片连接采用可拆卸的轴片连接环，叶片末端均贴附有叶片加厚板，增加叶片局部刚性。
进一步说，所述的水槽靠近第一储水箱的壁面上带有刻度线。
一种开闸式和持续入流式两用异重流试验方法，采用上述试验装置，包括开闸式异重流试验和持续入流式异重流试验：
所述的开闸式异重流试验过程为：
a.准备
将闸门保持紧闭状态，向闸门靠近第一储水箱的一侧注入清水，即闸门左侧，向闸门另一侧注入重流体，即闸门右侧，清水与重流体均与直角引流管底部齐平；两台高速摄像机于保持开机状态。
b.试验
试验过程中可调节参数如下：异重流浓度、附加模型变化，包含有底部粗糙度、地形突变。
工况A：异重流浓度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，闸门右侧注入不同浓度的重流体，迅速提拉闸门，即可实现不同异重流浓度条件下的开闸式异重流水动力特性研究。
工况B：附加模型变化工况
闸门保持紧闭状态，安装不同类型附加模型，包括底床铺设不同粒径鹅软石模拟不同粗糙度底床、三角形和长方形障碍物模拟地形突变；闸门右侧注入一定浓度的重流体，迅速提拉闸门，即可实现不同底床粗糙度地、形突变条件下的开闸式异重流水动力特性研究。
其他工况：耦合变化工况
在试验中根据实际需求，通过改变异重流浓度，选择安装不同附加模型类型，实现异重流浓度、附加模型变化耦合条件下的开闸式异重流水动力特性研究。
另上述试验进行过程中，通过两台高速摄像机从侧视和俯视记录异重流运动过程，实时记录测量数据。
c.整理仪器
试验结束，将各构件拆分开，整理试验器材。
d.数据处理及分析
试验结束将异重流的运动过程视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论。
所述的持续入流式异重流试验过程为：
a. 准备
将闸门保持紧闭状态，向闸门左侧注入清水直至与直角引流管底部齐平；两台高速摄像机保持开机状态。
b.试验
试验过程中可调节参数如下：闸孔开度、异重流浓度、附加模型变化，包含有底部粗糙度和地形突变；
工况A：闸孔开度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，向第三储水箱中注入一定浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，然后开启真空泵；当重流体高度与清水相同时，调节不同闸门开度进行实验，即可实现不同闸门开度条件下的持续入流式异重流水动力特性研究。
工况B：异重流浓度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，向第三储水箱中注入不同浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，然后开启真空泵；当重流体高度与清水相同时，调节闸门至一定开度，即可实现不同异重流浓度条件下的持续入流式异重流水动力特性研究。
工况C：附加模型变化工况
闸门保持紧闭状态，安装不同类型附加模型，包括底床铺设不同粒径鹅软石模拟不同粗糙度底床，三角形和长方形障碍物模拟地形突变；向第三储水箱中注入一定浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，然后开启真空泵；当重流体高度与清水相同时，调节闸门至一定开度，即可实现不同底床粗糙度、地形突变条件下的持续入流式异重流水动力特性研究。
其他工况：耦合变化工况
在试验中根据试验需求，通过改变闸孔开度和异重流浓度，选择安装不同附加模型类型，实现闸孔开度、异重流浓度、附加模型变化耦合条件下的持续入流式异重流水动力特性研究。
另上述试验进行过程中，通过两台高速摄像机从侧视和俯视记录异重流运动过程，实时记录测量数据。
c.整理仪器
试验结束，将各构件拆分开，整理试验器材。
d.数据处理及分析
试验结束将异重流的运动过程视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论。
本发明的有益效果：
1、本发明装置可靠性强，结构简单，整体性好，装置设计、制作花费小，试验成本低廉；试验过程简单方便，试验效率高。
2、本发明装置采用可更换泥沙悬浮仪，将复杂试验条件及试验过程简化，提高试验的可操作性；拓展了针对不同异重流浓度试验的工况范围。
3、本发明装置采用可变闸孔开度，可方便实现探索不同闸孔开度下持续入流式异重流试验装置中水动力学特性的目的。通过附加模型组合可实现探究异重流在不同粗糙度底床上运动特性、在地形突变底床上运动特性。针对可调闸孔开度的持续入流式异重流试验装置，本发明构件组合设计灵活，可适用工况广泛，可靠性强。
4、本发明装置采用高速摄像机实时记录异重流运动过程，试验精度高，数值获取实时性强，试验过程操作简洁方便。
5、本发明方法的试验过程演示性和可操作性明显，并可结合粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）等技术手段进行精细化水力过程试验，结合本装置的试验设计可拓展性显著，并为相关持续入流式装置模型试验技术开发及应用提供了有益参考。
综上所述，本试验装置设计新颖，结构简单，整体性好，可靠性强；装置构件组合设计灵活，可适用工况广泛，尤其针对不同闸孔开度和安置附加模型试验工况；应用高速摄像机实时记录异重流运动过程，数据获取实时性强，试验精度高；本试验过程操作简洁方便，具有试验过程效率高，试验设计灵活性强，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是本发明的闸门示意图。
图4是本发明的泥沙悬浮仪示意图。
图中：1.储水箱，2.直角引流管，3.排水管，4.排水阀，5.滑轮，6.导轨，7.刻度线，8.水槽，9.标定十字线，10.闸门，11.导流管，12.流量计，13.阀门开关，14.直角引流管，15.微型储水箱，16.承重台，17真空泵，18.储水箱，19.导流管，20.流量计，21.阀门开关，22.储水箱，23.泥沙悬浮仪，24.真空泵，25.闸门固定装置，26.中心轴，27.轴片连接环，28.叶片，29.叶片加厚板。
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。
一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置，包括储水箱1、18、22、水槽8、十字标定线9、闸门10和泥沙悬浮仪23；水槽8长度方向上的两端分别设置有直角引流管2、14，通过直角引流管分别与储水箱1和微型储水箱15联通；储水箱18通过第一引流装置与水槽8联通，第一引流装置将第二储水箱18中的流体引流至水槽8，第三储水箱22通过第二引流装置与第二储水箱18，第二引流装置将第三储水箱22中的流体引流至第二储水箱18。
所述的水槽内部设置有闸孔开度可控的闸门，该闸门靠近所述的第一引流装置，水槽的中上部设置有十字标定线，水槽的侧面和上方均设置有高速摄像机；
所述的第一引流装置和第二引流装置结构相同，均包括真空泵17、24、阀门开关13、21和流量计12、20，阀门开关的一端连接真空泵，另一端连接流量计，三者之间由导流管11、19串接；
所述的第三储水箱22中还带有可更换的泥沙悬浮仪23；
所述的第一储水箱、第二储水箱、第三储水箱和水槽均装有排水设施，排水设施由排水管3和排水阀4组成，所述的微型储水箱由承重台16支撑。
本实施例中，所述储水箱和水槽壁面采用亚克力板，储水箱左侧的壁面上带有刻度线7。储水箱和水槽均过可伸缩的导杆与滑轮5连接；所述滑轮5设置在轨道6上。水槽壁面十字标定线相互垂直，且水平线为10 cm，竖直线为5 cm。闸门两侧均有闸门固定装置25，闸门提升至一定高度后，闸门固定装置会自动固定闸门，使闸门保持静止状态，实验结束后闸门固定装置自动释放，闸门可以自由升降。泥沙悬浮仪的中心轴26与叶片28连接采用可拆卸的轴片连接环27，叶片末端均进行加厚处理，贴附叶片加厚板29，增加叶片局部刚性。实验中泥沙悬浮仪备有不同转速、不同叶片形状、不同叶片面积，应用于不同异重流浓度变化工况。所述水槽中设置的闸门为可控高度提拉闸门。
所述一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置在试验过程中需安放于适宜环境中，并将两台高速摄像机分别从侧视和俯视拍摄异重流运动过程。
上述装置的试验方法如下
（1）开闸式异重流试验方法：
a. 试验准备过程
将闸门保持紧闭状态，向闸门左侧注入清水至15cm，向闸门右侧注入重流体至15cm，均与直角引流管底部齐平；安装两台摄像机于特定位置并保持开机状态。
b.试验过程
试验过程中可调节参数如下：异重流浓度；附加模型变化，包含有底部粗糙度、地形突变。故试验过程可分为工况A、工况B、及其他工况：
工况A：异重流浓度变化工况
试验前闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，闸门右侧注入不同浓度的重流体，迅速提拉闸门至18cm，即可实现不同异重流浓度条件下的开闸式异重流水动力特性研究。
工况B：附加模型变化工况
试验前闸门保持紧闭状态，安装不同类型附加模型，例如底床铺设不同粒径鹅软石模拟不同粗糙度底床，三角形和长方形障碍物模拟地形突变等；闸门右侧注入一定浓度的重流体，迅速提拉闸门至18cm，即可实现不同底床粗糙度地、形突变条件下的开闸式异重流水动力特性研究。
其他工况：耦合变化工况
在试验中根据实际需求，通过改变异重流浓度，选择安装不同附加模型类型，实现异重流浓度、附加模型变化耦合条件下的开闸式异重流水动力特性研究。
另上述试验进行过程中，通过两台高速摄像机从侧视和俯视记录异重流运动过程，实时记录测量数据。
c.整理仪器
试验结束，将各构件拆分开，整理试验器材。
d.数据处理及分析
试验结束将异重流的运动过程视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论。
（2）持续入流式异重流试验方法：
a. 试验准备过程
将闸门保持紧闭状态，向闸门左侧注入清水至15cm，与直角引流管底部齐平；向最右侧储水箱注入重流体；安装两台摄像机于特定位置并保持开机状态。
b.试验过程
试验过程中可调节参数如下：闸孔开度；异重流浓度；附加模型变化，包含有底部粗糙度、地形突变。故试验过程可分为工况A、工况B、工况C及其他工况：
工况A：闸孔开度变化工况
试验前闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，向最右侧储水箱中注入一定浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，1分钟后开启真空泵；当中储水箱水位高于内部真空泵时开启真空泵向水槽中注入重流体；当重流体高度与清水相同时，调节不同闸门开度进行实验，即可实现不同闸门开度条件下的持续入流式异重流水动力特性研究。
工况B：异重流浓度变化工况
试验前闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，向最右侧储水箱中注入不同浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，1分钟后开启真空泵；当中储水箱水位高于内部真空泵时开启真空泵向水槽中注入重流体；当重流体高度与清水相同时，调节闸门至一定开度，即可实现不同异重流浓度条件下的持续入流式异重流水动力特性研究。
工况C：附加模型变化工况
试验前闸门保持紧闭状态，安装不同类型附加模型，例如底床铺设不同粒径鹅软石模拟不同粗糙度底床，三角形和长方形障碍物模拟地形突变等；向最右侧储水箱中注入一定浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，1分钟后开启真空泵；当中储水箱水位高于内部真空泵时开启真空泵向水槽中注入重流体；当重流体高度与清水相同时，调节闸门至一定开度，即可实现不同底床粗糙度、地形突变条件下的持续入流式异重流水动力特性研究。
其他工况：耦合变化工况
在试验中根据试验需求，通过改变闸孔开度和异重流浓度，选择安装不同附加模型类型，实现闸孔开度、异重流浓度、附加模型变化耦合条件下的持续入流式异重流水动力特性研究。
另上述试验进行过程中，通过两台高速摄像机从侧视和俯视记录异重流运动过程，实时记录测量数据。
c.整理仪器
试验结束，将各构件拆分开，整理试验器材。
d.数据处理及分析
试验结束将异重流的运动过程视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论。
Claims (6)
1.一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置，包括第一储水箱（1）、第二储水箱（18）、第三储水箱（22）、水槽（8）、十字标定线（9）、闸门（10）和泥沙悬浮仪（23）；其特征在于：水槽（8）长度方向上的两端分别设置有直角引流管（2、14），通过直角引流管（2、14）分别与第一储水箱（1）和微型储水箱（15）联通；第二储水箱（18）通过第一引流装置与水槽（8）联通，第一引流装置将第二储水箱（18）中的流体引流至水槽（8），第三储水箱（22）通过第二引流装置与第二储水箱（18），第二引流装置将第三储水箱（22）中的流体引流至第二储水箱（18）；
所述的水槽内部设置有闸孔开度可控的闸门（10），该闸门（10）靠近所述的第一引流装置，水槽的中上部设置有十字标定线（9），水槽的侧面和上方均设置有高速摄像机；
所述的第一引流装置和第二引流装置结构相同，均包括真空泵（17、24）、阀门开关（13、21）和流量计（12、20），阀门开关的一端连接真空泵，另一端连接流量计；
所述的第三储水箱（22）中还带有可更换的泥沙悬浮仪（23）；
所述的第一储水箱、第二储水箱、第三储水箱和水槽均装有排水设施。
2.根据权利要求1所述的一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置，其特征在于：所述第一储水箱（1）、第二储水箱（18）、第三储水箱（22）和水槽（8）的壁面采用亚克力板，所述第一储水箱（1）、第二储水箱（18）、第三储水箱（22）和水槽（8）均过可伸缩的导杆与滑轮（5）连接；所述滑轮（5）设置在轨道（6）上。
3.根据权利要求1所述的一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置，其特征在于：所述的闸门（10）两侧均有闸门固定装置（25），闸门（10）至一定高度后，闸门固定装置（25）自动固定闸门，使闸门（10）保持静止状态，试验结束后闸门固定装置（25）自动释放，闸门（10）可自由升降。
4.根据权利要求1所述的一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置，其特征在于：所述泥沙悬浮仪（23）的中心轴（26）与叶片连接采用可拆卸的轴片连接环（27），叶片（28）末端均贴附有叶片加厚板（29），增加叶片局部刚性。
5.根据权利要求1所述的一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置，其特征在于：所述的水槽（8）靠近第一储水箱（1）的壁面上带有刻度线（7）。
6.一种开闸式和持续入流式两用异重流试验方法，采用权利要求1所述的装置，其特征在于：包括开闸式异重流试验和持续入流式异重流试验：
所述的开闸式异重流试验过程为：
a.准备
将闸门保持紧闭状态，向闸门靠近第一储水箱的一侧注入清水，即闸门左侧，向闸门另一侧注入重流体，即闸门右侧，清水与重流体均与直角引流管底部齐平；两台高速摄像机于保持开机状态；
b.试验
试验过程中可调节参数如下：异重流浓度、附加模型变化，包含有底部粗糙度、地形突变；
工况A：异重流浓度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，闸门右侧注入不同浓度的重流体，迅速提拉闸门，即可实现不同异重流浓度条件下的开闸式异重流水动力特性研究；
工况B：附加模型变化工况
闸门保持紧闭状态，安装不同类型附加模型，包括底床铺设不同粒径鹅软石模拟不同粗糙度底床、三角形和长方形障碍物模拟地形突变；闸门右侧注入一定浓度的重流体，迅速提拉闸门，即可实现不同底床粗糙度地、形突变条件下的开闸式异重流水动力特性研究；
其他工况：耦合变化工况
在试验中根据实际需求，通过改变异重流浓度，选择安装不同附加模型类型，实现异重流浓度、附加模型变化耦合条件下的开闸式异重流水动力特性研究；
另上述试验进行过程中，通过两台高速摄像机从侧视和俯视记录异重流运动过程，实时记录测量数据；
c.整理仪器
试验结束，将各构件拆分开，整理试验器材；
d.数据处理及分析
试验结束将异重流的运动过程视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论；
所述的持续入流式异重流试验过程为：
a. 准备
将闸门保持紧闭状态，向闸门左侧注入清水直至与直角引流管底部齐平；两台高速摄像机保持开机状态；
b.试验
试验过程中可调节参数如下：闸孔开度、异重流浓度、附加模型变化，包含有底部粗糙度和地形突变；
工况A：闸孔开度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，向第三储水箱中注入一定浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，然后开启真空泵；当重流体高度与清水相同时，调节不同闸门开度进行实验，即可实现不同闸门开度条件下的持续入流式异重流水动力特性研究；
工况B：异重流浓度变化工况
闸门保持紧闭状态，不安装附加模型，向第三储水箱中注入不同浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，然后开启真空泵；当重流体高度与清水相同时，调节闸门至一定开度，即可实现不同异重流浓度条件下的持续入流式异重流水动力特性研究；
工况C：附加模型变化工况
闸门保持紧闭状态，安装不同类型附加模型，包括底床铺设不同粒径鹅软石模拟不同粗糙度底床，三角形和长方形障碍物模拟地形突变；向第三储水箱中注入一定浓度的重流体并开启泥沙悬浮仪，然后开启真空泵；当重流体高度与清水相同时，调节闸门至一定开度，即可实现不同底床粗糙度、地形突变条件下的持续入流式异重流水动力特性研究；
其他工况：耦合变化工况
在试验中根据试验需求，通过改变闸孔开度和异重流浓度，选择安装不同附加模型类型，实现闸孔开度、异重流浓度、附加模型变化耦合条件下的持续入流式异重流水动力特性研究；
另上述试验进行过程中，通过两台高速摄像机从侧视和俯视记录异重流运动过程，实时记录测量数据；
c.整理仪器
试验结束，将各构件拆分开，整理试验器材；
d.数据处理及分析
试验结束将异重流的运动过程视频进行整理分析，以此得到所需试验结果及结论。
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| CN201810238948.9A CN108871727A (zh) | 2018-03-22 | 2018-03-22 | 一种开闸式和持续入流式两用异重流试验装置及方法 |
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