CN109540463B

CN109540463B - 长距离引水渠道循环水流冻结模型试验装置及试验方法

Info

Publication number: CN109540463B
Application number: CN201811429013.5A
Authority: CN
Inventors: 张爱军; 任文渊; 靳芮掞; 何自立; 王正中
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: CN109540463A

Abstract

本发明提供一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验装置及试验方法，试验装置包括U型流道、水箱、水泵、变频控制柜，U型流道包括两段平直输水流道和一段180度弧形输水流道。本发明利用水箱、水泵使U型流道内形成循环流动的水流，利用变频控制柜可调节水流速度，保证水流运行稳定，可模拟冬季寒冷环境下长距离引水渠道输水过程，为研究长距离渠道工程在不同输水流速情况下的冻结特性规律和融冰机理提供模型试验平台。

Description

长距离引水渠道循环水流冻结模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及引水渠道冻结特性规律试验，具体涉及寒冷环境下长距离引水渠道循环水流冻结模型。

背景技术

引水渠道冬季输水是提高供水保证率的重要措施，冬季输水存在的主要问题是渠道水流的冻结。渠水冻结一方面会造成输水量的减小，另外一方面会造成冰凌阻塞渠道的水流，给渠道运行安全造成危害。长距离输水渠道一般指超过100km渠道，长距离输水渠道的流量一般较大，且水流更为平稳，对其水流冻结规律进行研究意义更为重大。

目前，很多渠道冬季输水采用冰盖下输水的方式进行，此外还有利用导电混凝土通电发热等方法。这些方法虽然在实际工程中得到一定的应用，但是对于高寒区低环境温度下渠道内水流的冰冻过程以及融冰机理研究尚较为缺乏，需要构建相应的渠道水流冻结模型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验装置及试验方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验装置，该试验装置包括进水箱、回水箱、水泵以及顶部为敞开状的U型流道，所述U型流道包括弧型流道段以及与弧形流道段的两端分别相连的两个直线型流道段，水泵分别与进水箱及回水箱相连，U型流道的两端通过对应直线型流道段分别与进水箱及回水箱相连(即U型流道的一端与进水箱相连，另一端与回水箱相连)，U型流道的斜向壁面及底面包括自下而上依次设置的基层、保温层、防渗层和界面层，U型流道的竖向壁面包括基层及设置在该基层上的保温层，其中，直线型流道的竖向壁面上还设置有观测窗。

优选的，所述基层采用钢板，保温层采用保温板，防渗层采用塑料防水布，界面层采用表面粗糙的瓷砖(导热系数及摩擦系数模拟引水渠道坡面混凝土衬砌层)。

优选的，所述弧形流道段与直线型流道段的连接位置处设置有由橡胶垫构成的密封伸缩缝。

优选的，所述进水箱及回水箱上设置有排水阀。

优选的，所述试验装置还包括与水泵相连的变频控制柜，所述水泵的工作频率为5～25Hz。

优选的，所述试验装置置于低温模拟环境内。

一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验方法，包括以下步骤：

1)确定引水渠道水流原型物理参数和环境参数；所述物理参数包括引水渠道壁面所处位置、引水渠道横断面的边界尺寸、水流速度及引水渠道壁面的摩擦系数，环境参数包括引水渠道所在地气温统计；

2)构建横断面按所述边界尺寸等比例缩小且为上宽下窄的直角梯形状的U型流道，其中，U型流道横断面的竖向直角边模拟引水渠道水流中心线所在水流对称面，横向直角短边模拟引水渠道渠底截面，斜边模拟引水渠道边坡截面，水流表面位于横向直角长边下侧，所述边界尺寸的缩小比例根据所述水流速度、摩擦系数并通过水力学计算确定；对U型流道的对应壁面进行隔热处理(考虑到引水渠道壁面所处位置)和表面粗糙化处理(考虑引水渠道壁面的摩擦系数)，然后利用泵送系统在U型流道内形成以一定流速稳定循环流动的水流，得到循环水流冻结模型；

3)参照所述气温统计设定低温模拟环境温度，将循环水流冻结模型置于低温模拟环境中，并在给定的水流速度下进行引水渠道水流原型的冻结试验。

优选的，所述步骤2)中，稳定循环流动的水流的水面高度为U型流道高度的2/3～4/5。

优选的，所述隔热处理是指在U型流道基体上增加保温层，表面粗糙化处理是指在保温层上增加模拟引水渠道坡面混凝土衬砌层的界面层。

优选的，所述泵送系统采用设置在U型流道一端的进水箱以溢流方式注水，并采用设置在U型流道另一端的回水箱以及连接在回水箱与进水箱之间的水泵使水流在U型流道与泵送系统之间形成循环流动，水泵的工作频率为5～25Hz。

优选的，所述步骤2)还包括以下步骤：对U型流道不同深度处水流进行实时监测，根据监测结果对水泵工作频率参照不同水面高度时的水流速度进行标定。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过设置U型流道并采用循环水流形式，满足对实际渠道稳定水流过程模拟的需要，通过对流道截面形状的设计，既降低了模型规模，而且便于观测表面及不同深度处结冰状态，对于充分发掘长距离渠道低温冻结机理提供了客观、充分的试验结果。本发明可以模拟长距离引水渠道输水过程，为研究渠道工程在不同输水流速情况下的冻结特性规律和融冰机理提供模型试验平台，从而为实现渠道工程冬季输水、高寒区低环境温度下输水提供技术支撑。

进一步的，为更贴近真实渠道混凝土衬砌板的结冰过程，选择和渠坡表面混凝土具有相似传热系数的粗糙瓷砖作为界面层。

进一步的，采用水泵和配套变频控制柜的方式，通过调节水泵工作频率，达到稳定模型内的水流的目的，提高水流冻结试验客观性和可靠性。

附图说明

图1为引水渠道横断面示意图；

图2为模型平面图；

图3为图2所示模型的A-A剖面图；

图4为图2所示模型B-B剖面图；

图5为伸缩缝结构示意图；

图6为模型内水面结冰模拟图；

图7为模型内结冰情况实测图；

图中：1为进水箱，2为回水箱，3为进水口，4为出水口，5为结冰区域，6为伸缩缝，7为观测窗，8为防渗层，9为瓷砖，10为有机玻璃，11为保温板，12为钢板，13为竖向壁面，14为斜向壁面，15为底面，16为角铁，17为橡胶垫，18为高强度螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明通过模型试验方法将现场引水渠道的基本物理环境(渠道横断面基本尺寸、水流速度)按照一定的比例缩小设计，在室内模拟原型(长距离渠道水流)所受环境条件(例如，温度条件)并进行渠道水流冻结试验。

(一)建立长距离引水渠道循环水流冻结模型

1、环境温度的模拟：

参照渠道当地环境温度。

2、渠道水流原型的模拟：

1)利用U型流道、水箱、水泵等，构成水流循环流动的通道，从而模拟长距离引水渠道内水流长时间持续稳定流动，为了实现水流的循环，需要用水泵给水流提供动力。

2)引水渠道的横截面一般为等腰梯形，渠道的模型只用原等腰梯形截面的一半进行研究，即U型流道横截面为一个上宽下窄的直角梯形，直角边为对称面，采用直接保温隔热边界(U型流道竖向壁面)，U型流道底面模拟渠底，U型流道斜向壁面模拟渠道边坡。U型流道梯形横断面上底和下底的尺寸需要考虑低温模拟试验箱的尺寸，可确定一定的比率，然后就可以研究尺寸按比率扩大后的模型(保持边坡坡率不变)，例如若比率为1:20，则可以研究尺寸扩大20倍后的渠道。

3)因实际渠道壁面(例如，边坡、渠底)处于地面以下，实际环境中水流的散热面为与空气接触的水面，即渠道水流主要是与空气进行热量交换从而结冰，因此，U型流道的斜向壁面、底面也应具有隔热能力，减少U型流道内水流与U型流道接触面的热量传递，使水流与环境进行热量交换的面为水面。同时，考虑到为更贴近真实渠道混凝土衬砌板，故U型流道的斜向壁面、底面采用多层结构，瓷砖模拟混凝土衬砌板(摩擦系数、导热系数与混凝土相似)，瓷砖下面的防渗层模拟渠道的防渗处理，防渗层下面的保温板隔热层防止U型流道斜向壁面、底面处水流结冰过程受外环境低温影响。

4)由于实际长距离渠道中水流大多是稳定流动的(例如，1m/s)，引水渠道横断面按比率缩小至U型流道时，需要保持流道内水流流速与实际渠道一致，对于等腰梯形断面的明渠(图1，水面宽度为B)：

水力半径公式为：

式中：R-水力半径(m)；A-梯形面积(m²)，A＝(b+t×h)h；χ-明渠湿周(m)，

t-边坡倾角的余切值；

计算渠道横断面流量的公式为：

式中：Q-断面流量(m³)；n-粗糙系数，这里取渠道内壁为灰浆时的值0.013；i-底坡坡率，取0.002；

流速公式为：

v＝Q/A

U型流道内水流由水泵驱动，为了控制水流速度稳定，需用变频控制柜控制水泵频率，进而调控水流速度稳定。

(二)试验装置

1、结构设计

参见图2、图3及图4，根据以上建立的长距离引水渠道循环水流冻结模型，试验装置包括U型流道、水箱、水泵、变频控制柜、支撑铁架以及连接管道、法兰等，其中：

所述U型流道包括两段直线型流道和一段180度弧型流道，该弧型流道的两端与两段直线型流道分别连接，从而拼接为完整的U型流道，U型流道各段的斜向壁面14及底面15分为4层，最下面为与支撑铁架相连的基层，然后依次往上为保温层、防渗层8和界面层。两段直线型流道的竖向壁面13上还设置有有机玻璃10制成的观测窗7。观测窗7用于试验研究渠道水流结冰规律时观察、记录流道内的结冰性状，不仅可以观察到对侧斜向壁面的水面结冰情况，而且可以对水流不同深度处的结冰状况进行观察。

所述水箱共两个，两个水箱侧壁的上端分别与两个直线型流道对应相连，两个水箱侧壁的下端通过水泵相连。根据泵送方向，其中一个水箱用于将水通过溢流方式引入U型流道，该水箱即进水箱1(进水箱1下端设置法兰作为进水口3，进水口3通过一连接管道连接至水泵的出口端)，另一个水箱用于接收流出U型流道的水流，该水箱即为回水箱2(回水箱2下端设置法兰作为出水口4，出水口4通过另一连接管道连接至水泵的进口端)。所述水泵的运行由变频控制柜控制。两个水箱的顶部为敞开状，方便试验前蓄水，两个水箱上还设置有排水阀。水泵开启后，进水箱1处的水面高度升高，回水箱2处的水面高度降低，由此形成水头差，使水流在U型流道内循环流动。

2、材料、尺寸及结构的优化和选型

所述U型流道的横截面为直角梯形，直角梯形上底为13.1厘米，下底为57.6厘米，高为44.5厘米。直线型流道长度均为1.5米。180度弧型流道最外侧(斜向壁面14上端)半径为97.5厘米，最内侧(竖向壁面13)半径为27.5厘米。

所述基层主要采用钢板12，支撑上部各层。考虑整个模型运行过程中不能漏水，选取钢材(钢板、角铁)通过满焊成型形成U型流道的基本框架(基层)。钢板12下面的支撑铁架承担U型流道重量；保温层采用4厘米厚的XPS聚苯乙烯白晶保温板11；防渗层8采用塑料防水布；界面层为浅色防滑瓷砖，采用浅色一是使模型整体美观，二是便于观察结冰规律；防滑瓷砖9表面粗糙，导热系数与混凝土相近，由瓷砖作为界面层模拟引水渠道的混凝土衬砌层(摩擦系数相近)。U型流道各段的竖向壁面13与水箱壁面材料相同，均为钢材及保温板复合结构，以达到整体模型成型、满焊防漏水和隔热的要求。

参见图5，由于U型流道的斜向壁面是由钢板12、保温板11、瓷砖9等不同材料组成的，多种材料膨胀系数有差异，温度变化时变形量不同，所以为了防止装置因温度变化而破坏，将模型分为三部分，即两段直线型流道和一段180度弧型流道，并且，不同段流道的连接位置处预留伸缩缝6，伸缩缝6处设置橡胶垫17，角铁沿对应段流道横截面边沿布置，用高强度螺栓18将对应连接的两段流道的角铁及位于角铁之间的橡胶垫17拧紧在一起，使橡胶垫17压紧，防止伸缩缝处漏水。

所述观测窗7为边长400厘米、厚4毫米的正方形有机玻璃10。

所述水泵采用管道泵，例如，型号IRG-250-235(扬程12.5米，流量为500立方米/时，功率为22千瓦)。

水箱内蓄水高度太高，在水循环流动中容易溢出；蓄水太低，渠道内水流断面太小，断面上各个点受冷空气影响的差异不明显，均影响试验结果的可靠性。试验中蓄水高度至流道高度的2/3～4/5为最佳，即30cm～36cm之间。

3、装置的低温运行条件

将试验装置置于低温模拟试验箱内，试验箱长、宽、高分别为4.5m、2.5m、2.5m。

低温模拟试验箱一般用于冻土实验室，能模拟低至-20℃的温度环境。试验装置各部件在低温模拟试验箱内进行组装，经检测不漏水后进行试验。水泵采用保温材料包裹，防止低温冷冻影响使用。

(三)长距离引水渠道循环水流冻结试验

1、渠道水流原型参数模拟

将某引水渠道横断面的渠底宽b缩小至0.262m，引水渠道边坡倾角a的余切值t＝1。假设U型流道内水面高度为0.35m，根据上述公式可得引水渠道内水流流速v为1.06m/s²，当水面高度减小时，流速减小。试验时模型内水流最大流速采用1m/s²，经计算可知该模型内水流流速可以满足要求。

低温模拟试验箱设定温度采用引水渠道所在地区9月实际平均气温，即-10℃。

2、试验步骤

1)试验前的检查工作

主要检查各个阀门开闭情况，水泵的运转情况，变频控制柜的操控是否正常以及装置其他各个部分是否有异常。例如，使用前要保证水箱的排水阀处于关闭状态。调试水泵及变频控制柜时需先蓄水，不能让水泵在无水状态下空转。检查两段直线型流道和一段180度弧型流道的连接处是否漏水、流道壁面的各层之间粘接的胶是否开裂。

2)开展实验

首先在进水箱1和回水箱2内蓄水。然后操作变频控制柜运行水泵，首先低频运行，然后慢慢提高频率一直到设置的最高频率，若一开始就设置为高频率，则会在进水箱1处发生严重的雍水，利用从低频逐渐到高频的水泵运行方式让水流流速稳步提升。采用流速仪对流道断面不同深度处水流进行实时监测，从而将不同水面高度时的水流速度与水泵频率进行标定。

标定完成后，施加低温寒冷环境，按照相应渠道结冰试验方案做后续试验，从而研究在低温环境下，渠道内一定流速稳定流动的水流的结冰过程与规律。改变流速、环境温度后观察结冰情况，从而为低温输水渠道安全稳定运行提供技术支持。

3)试验结束后的工作

试验结束后首先要撤销低温寒冷环境，即关闭低温模拟试验箱，然后停止水泵运行，切断变频控制柜和水泵电源。然后打开水箱排水阀排水。若流道内还有冰块，需小心取出妥善处理。水泵位置较低，排完流道和水箱内的水时水泵内仍会有积水，需及时排出。

参见图6及图7，在环境温度为-10℃，水泵输出频率为10Hz，水流流速约为1m/s²(水流平稳)的条件下进行初步试验，试验结果显示从水面边缘开始结冰，边缘冰层逐渐加厚，同时向水面中间发展，逐步形成冰盖。模拟和实测结果符合实际工程情况。

在冻结试验基础上，利用本发明还可以研究渠道冰面的融化过程(衬砌板辅助加热)，以及加热电能耗和水流速度与环境温度的定量关系，揭示融冰机理。

Claims

1.一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)确定引水渠道水流原型的物理参数和环境参数；所述物理参数包括引水渠道横断面的边界尺寸、水流速度及引水渠道壁面的摩擦系数，环境参数包括引水渠道所在地气温统计；

2)构建横断面按所述边界尺寸等比例缩小且为上宽下窄的直角梯形状的U型流道，U型流道横断面的竖向直角边模拟引水渠道水流中心线所在水流对称面，U型流道横断面的横向直角短边模拟引水渠道渠底截面，U型流道横断面的斜边模拟引水渠道边坡截面，所述边界尺寸的缩小比例根据所述水流速度、摩擦系数并通过水力学计算确定；对U型流道的对应壁面进行隔热处理和表面粗糙化处理，然后利用泵送系统在U型流道内形成以一定流速稳定循环流动的水流，得到循环水流冻结模型；

2.根据权利要求1所述一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验方法，其特征在于：所述步骤2)中，稳定循环流动的水流的水面高度为U型流道高度的2/3～4/5。

3.根据权利要求1所述一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验方法，其特征在于：所述隔热处理是指在U型流道基体上增加保温层，表面粗糙化处理是指在保温层上增加模拟引水渠道坡面混凝土衬砌层的界面层。

4.根据权利要求1所述一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验方法，其特征在于：所述泵送系统采用设置在U型流道一端的进水箱(1)以溢流方式注水，并采用设置在U型流道另一端的回水箱(2)以及连接在回水箱(2)与进水箱(1)之间的水泵使水流在U型流道与泵送系统之间形成循环流动，水泵的工作频率为5～25Hz。

5.根据权利要求4所述一种长距离引水渠道循环水流冻结模型试验方法，其特征在于：所述步骤2)还包括以下步骤：对U型流道不同深度处水流进行实时监测，根据监测结果对水泵工作频率参照不同水面高度时的水流速度进行标定。