CN109680645B - 一种构造异重流试验层结环境水体装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种构造异重流试验层结环境水体装置及方法。该装置包括储水箱，真空泵，引流装置，流量计，导流装置，排水管，阀门开关，水槽；还包括刻度线，十字标定线。一种构造异重流试验层结环境水体装置的试验方法，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；能分别模拟不同异重流浓度、层结度、底床粗糙度和地形突变影响下的开闸式异重流流动过程，同时也能模拟层结水体下不同障碍性模型耦合下的异重流运动过程；试验过程操作方便，试验效率高，试验设计灵活等优点。

Description

一种构造异重流试验层结环境水体装置及方法

技术领域

本发明涉及近海工程水力模型试验领域，具体涉及一种构造异重流试验层结环境水体装置及方法。

背景技术

异重流，又称为密度流，因其密度差异使得其中一种流体沿着两相交界面流动，并在流动过程中不与其他流体发生全局性掺混的现象。异重流按其密度差异原因可分为两类：组分驱动异重流和颗粒驱动异重流。其中，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、热电厂温排水；颗粒驱动异重流常见有海底浊流、水库异重流等。

异重流因其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。我国是一个海洋大国，海洋面积辽阔，许多异重流现象发生在海洋这个水环境内。为了将水槽实验的实验结果进一步切合实际，就不得不考虑环境水体的层化现象，进而以此为基础，对层结环境下异重流的各种方面进行研究，例如沿海工厂管道排污、海底浊流、近海湿地洪泛等，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，但对于构造异重流试验层结水体装置及方法技术方案还较为缺乏；已开展的构造异重流试验层结水体装置及方法大多存在着一定局限性，对各种条件下的异重流研究普适性不足，例如，构造的底床粗糙度或地形突变下层结水体的在同一水平面上环境水体的密度一致性较低。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种构造异重流试验层结环境水体装置及方法。

该试验装置系统结构简单，操作方便；能构造不同底床粗糙度和地形突变下层结水体，并进行异重流试验工况；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环境水体的单一性，成功实现了对不同环境水体下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：

一种构造异重流试验层结环境水体装置，包括A储水箱、B储水箱、水槽、十字标定线、闸门、引流装置和层结水体出流装置；A储水箱通过第一引流装置与B储水箱联通；水槽长度方向上的中端设置有引流管，通过引流管与B储水箱的第二引流装置联通，引流管将B储水箱中的流体引流至水槽壁上的微型储水装置，待微型储水装置中流体水位上升，自装置顶部溢出，沿导流装置进入水槽。

所述的水槽内部设置有可控的闸门，该闸门靠近所述的A、B储水箱，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A储水箱、B储水箱和水槽均装有排水设施。

进一步说，所述第一储水箱、第二储水箱采用塑料所制，水槽、微型储水装置和导流装置的壁面采用亚克力板，所述A储水箱、B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，所述的水槽在长度方向上的两端壁面外侧均有具体刻度线。

进一步说，所述的A、B储水箱壁面外侧均有具体刻度线。

一种构造异重流试验层结环境水体方法，采用上述试验装置，包括异重流试验，具体过程为：

a.准备

将闸门保持紧闭状态，向闸门靠近A储水箱注入重流体，即闸门右侧，向闸门另一侧水槽构造地形突变环境（放入1个障碍物模型），分别打开A、B储水箱各自连接的引流装置中的真空泵、阀门，并调节流量计，将B流量计示数保持为A流量计示数的两倍，流体通过直角引流管和导流装置进入水槽另一侧，即闸门左侧，层结水体开始构造，保持环境水体与重流体液面齐平；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：异重流浓度、层结水体层结度，底部粗糙度、地形突变等障碍性模型变化。

工况A：异重流浓度变化工况

闸门保持紧闭状态，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：层结水体层结度变化

闸门保持紧闭状态，A储水箱注入不同浓度重流体，B储水箱注入清水，闸门右侧注入一定浓度的重流体，迅速提拉闸门，即可实现环境水体在不同层结度条件下的异重流水动力特性研究。

工况C：障碍性模型变化工况

闸门保持紧闭状态，安装不同类型障碍性模型，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，环境水体层结度，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。

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；附加模型对构造层结水体过程中的影响大大减小，提高了环境水体同一水平面上环境水体密度的一致性。

2、本发明装置采用可更换流量计，将复杂试验条件及试验过程简化，提高试验的可操作性；拓展了针对不同层结度的环境水体下异重流试验的工况范围。

3、本发明装置采用线源导流装置，相较以往的点源导流装置而言，减小了环境水体在扩散过程中受附加模型的影响，可在一定程度上保证同一水平面环境水体的密度一致性。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是本发明的层结水体出流装置（微型储水箱和导流装置）局部放大三维图。

图中：1.真空泵2.第一引流装置3.A储水箱4.搅拌器5.阀门开关 6.流量计7.第二引流装置 8.闸门9.引流管10.微型储水箱11.导流装置12.水槽13. 标定十字线14.闸门固定装置15.排水管16.排水阀门开关17.B储水箱18.刻度线19.水流方向。

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。

一种构造异重流试验层结环境水体装置，包括储水箱1、7、水槽12、十字标定线13、闸门8、层结水体出流装置（微型储水箱10和导流装置11）；水槽12长度方向上的中端设有引流管9，通过引流管分别与储水箱B和微型储水箱10联通；第一引流装置将A储水箱3中的流体引流至储水箱B，储水箱B通过第二引流装置7与微型储水箱10联通，导流装置11将微型储水箱10中的流体引流至水槽12。

所述的水槽内部设置有电机自动控制的闸门，该闸门靠近所述的第二引流装置，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1、阀门开关5和流量计6，阀门开关的一端连接真空泵，另一端连接流量计，三者之间由引流管串接。

所述的A储水箱、B储水箱和水槽均装有排水设施，排水设施由排水管15和排水阀16组成，所述的微型储水箱与导流装置11一体。

本实施例中，所述微型储水箱、导流装置和水槽壁面采用亚克力板，储水箱采用塑料，且A、B储水箱外壁面上带有刻度线18。水槽壁面十字标定线相互垂直，且水平线为10cm，竖直线为5 cm。闸门两侧均有闸门固定装置14，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。所述水槽中设置的闸门为可控高度提拉闸门。

所述一种构造异重流试验层结环境水体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，将闸门保持紧闭状态，向闸门靠近A储水箱注入重流体，即闸门右侧，向闸门另一侧水槽构造地形突变环境（放入1个障碍物模型），分别打开A、B储水箱各自连接的引流装置中的真空泵、阀门，并调节流量计，将B流量计示数保持为A流量计示数的两倍，流体通过直角引流管和导流装置进入水槽另一侧，即闸门左侧，层结水体开始构造，至水深达到15cm，向闸门右侧注入重流体至15cm，；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、层结水体层结度，底部粗糙度、地形突变等障碍性模型变化。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：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，闸门保持紧闭状态，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：层结水体层结度变化

闸门保持紧闭状态，A储水箱注入不同浓度重流体，B储水箱注入清水，闸门右侧注入一定浓度的重流体，迅速提拉闸门至18cm，即可实现环境水体在不同层结度条件下的异重流水动力特性研究。

工况C：障碍性模型变化工况

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闸门保持紧闭状态，安装不同类型障碍性模型，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，环境水体层结度，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。

Claims (6)

1.一种构造异重流试验层结环境水体装置，包括A储水箱（3）、B储水箱（17）、水槽（12）、十字标定线（13）、闸门（8）和层结水体出流装置；其特征在于：水槽（12）长度方向上的中端设有引流管（9），通过引流管（9）与B储水箱（17）的第二引流装置（7）联通，通过引流管（9）分别与B储水箱（17）和微型储水箱（10）联通；第一引流装置（2）将A储水箱（3）中的流体引流至B储水箱（17），B储水箱（17）通过第二引流装置（7）与微型储水箱（10）联通，微型储水箱（10）通过导流装置（11）与水槽（12）联通，导流装置（11）将微型储水箱（10）中的流体引流至水槽（12），所述的微型储水箱（10）和导流装置（11）构成所述层结水体出流装置；引流管（9）将B储水箱（17）中的流体引流至水槽壁上的微型储水箱（10），待微型储水箱（10）中流体水位上升，自装置顶部溢出，沿导流装置（11）进入水槽（12）；

所述的水槽（12）内部设置有电机自动控制的闸门（8），该闸门（8）靠近所述的第二引流装置，水槽（12）的中上部设置有十字标定线（13），水槽（12）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（1）、阀门开关（5）和流量计（6），阀门开关的一端连接真空泵，另一端连接流量计；

所述的A储水箱（3）、B储水箱（17）和水槽（12）均装有排水设施。

2.根据权利要求1所述的一种构造异重流试验层结环境水体装置，其特征在于：所述A储水箱（3）、B储水箱（17）壁面采用塑料所制，水槽（12）和微型储水箱（10）的壁面采用亚克力板。

3.根据权利要求1所述的一种构造异重流试验层结环境水体装置，其特征在于：所述的闸门（8）两侧均有闸门固定装置（14），闸门（8）至一定高度后，闸门固定装置（14）自动固定闸门，使闸门（8）保持静止状态，试验结束后闸门固定装置（14）自动释放，闸门（8）可自由升降。

4.根据权利要求1所述的一种构造异重流试验层结环境水体装置，其特征在于：所述导流装置（11）和微型储水箱（10）为一体，其壁面均采用亚克力板，是构造层结水体的装置中的出流部分。

5.根据权利要求1所述的一种构造异重流试验层结环境水体装置，其特征在于：所述的水槽（12）左侧壁面上带有刻度线（18）。

6. 一种构造异重流试验层结环境水体试验方法，采用权利要求1所述的装置，其特征在于该方法具体是：

a.准备

将闸门保持紧闭状态，向闸门靠近A储水箱注入重流体，即闸门右侧，向闸门另一侧水槽构造地形突变环境，分别打开A、B储水箱各自连接的引流装置中的真空泵、阀门，并调节流量计，将B储水箱对应的流量计示数保持为A储水箱对应的流量计示数的两倍，流体通过直角引流管和导流装置进入水槽另一侧，即闸门左侧，层结水体开始构造，保持环境水体与重流体液面齐平；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：异重流浓度、层结水体层结度、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，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：层结水体层结度变化

闸门保持紧闭状态，A储水箱注入不同浓度重流体，B储水箱注入清水，闸门右侧注入一定浓度的重流体，迅速提拉闸门，即可实现环境水体在不同层结度条件下的异重流水动力特性研究；

工况C：障碍性模型变化工况

闸门保持紧闭状态，安装不同类型障碍性模型，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，环境水体层结度，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。