CN109853457B - 一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，包括依次连接的水加热控制供给系统、进口控制系统、水槽系统、尾门控制系统，水槽系统上设置有数控测温系统，于水槽系统内布置隔水幕系统和取水口系统，同时PIV流速测控系统实现对水槽系统中流场的实时监测。水加热控制供给系统用于提供热水，进口控制系统包括进水箱，进水箱用于接收水加热控制供给系统提供的热水和地下水库提供的冷水，进水箱内竖直设置进水箱隔水板，水槽系统通过设置隔水装置将进水箱进入的热水和冷水分隔开。本发明提出可长时间模拟动态流场中的稳定分层温度场，能够直接进行稳态条件下水温分层流动的模拟实验，同时实时监测水体流场的分布状况。

Description

一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置

技术领域

本发明涉及水利水电和水环境工程领域，具体是一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置。

背景技术

我国拥有世界上最多的水库大坝，不仅数量居多，而且规模巨大。水库尤其是大型水库的建成对我国经济发展以及保障国民生产生活发挥了巨大的作用。然而大型水库的建成也引起河流形态、环境、生态等一系列变化，确保水利工程的生态环境安全是提高水利工程综合效益，实现可持续发展的关键。水温是影响河流生态系统中生物生长、繁殖和迁徙的一个关键因素，是反映水体状态的一个重要参数，对水动力学研究和水质研究都非常重要。水温影响水体垂向混合，使水库内的水温出现均化效应、延迟效应和春夏季低温水、秋冬季高温水的现象，很大程度上还决定了溶解氧的浓度，同时温度的变化还会对许多生化过程和化学过程产生影响，因此，研究水库水温分层变化，以及减缓措施效果显得十分重要。

发明内容

本发明提供一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，提供长时间稳定冷、热水，保持水温-流场稳定、能够实现多点水温、流速同步测量等优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，包括依次连接的水加热控制供给系统、进口控制系统、水槽系统、尾门控制系统，所述水槽系统上设置有数控测温系统，于水槽系统内布置隔水幕系统和取水口系统，同时PIV流速测控系统实现对水槽系统中流场的实时监测；所述水加热控制供给系统包括组合式不锈钢恒温水箱、通过进水管与组合式不锈钢恒温水箱连接的热泵，所述组合式不锈钢恒温水箱设有出水管，所述进口控制系统包括进水箱，所述进水箱的底部设置有热水进水管和冷水进水管，所述热水进水管与组合式不锈钢恒温水箱的出水管末端相连，所述冷水进水管与地下水库相连，所述进水箱内竖直设置有进水箱隔水板，进水箱隔水板将进水箱的热水进水管和冷水进水管分隔，所述水槽系统通过设置隔水装置进水箱进入的热水和冷水分隔开。

进一步的，所述水槽系统包括与进口控制系统出口连通的水槽，进水箱隔水板将进水箱出水口分为第一出水口和第二出水口，所述隔水装置包括与进水箱的第一出水口相连的部分底部设置的第一挡水板、与进水箱的第二出水口相连的部分上部设置的第二挡水板，第一挡水板、第二挡水板分别与进水箱内的进水箱隔水板前端竖直边缘相连，并有共同的交点，由第一挡水板和第二挡水板的交点所在线水平延伸出设有隔热板，由此实现进水箱在第一出水口排出热水，并处于隔热板上部，第二出水口排出冷水，并处于隔热板下部。

进一步的，所述热水进水管上安装有热水管闸门、热水管流量计、热水管离心泵，所述冷水进水管上安装有冷水管离心泵、冷水管闸门以及冷水管流量计。

进一步的，所述组合式不锈钢恒温水箱采用聚氨脂发泡保温板，外加不锈钢薄板包装。

进一步的，所述数控测温系统包括可移动数控测车、红外热成像仪、自记式温度记录仪、温度探头、垂向位置固定柱和刻度尺，可移动数控测车滑动设于水槽内壁，垂向位置固定柱与可移动数控测车固定连接，红外热成像仪用来对水体进行定性分析，所述垂向位置固定柱上开有槽孔，槽孔内固定安装刻度尺和温度探头，所述温度探头与自记式温度记录仪相连。

进一步的，可移动数控测车底部设有与实验水槽等宽的横向固定装置，所述横向固定装置是固定于可移动数控测车底部的一块有机玻璃板，其宽度与水槽内部等宽，卡在水槽内部。

进一步的，所述PIV流速测控系统包括激光器和高速摄像机，所述激光器布置在水槽的下面，从水槽的底部进光，所述高速摄像机布置在水槽的侧面，用于准确测量隔水幕附近以及取水口附近的流速场分布情况。

进一步的，所述隔水幕系统布置在PIV流速测控系统测量范围的实验水槽内，包括设于水槽中的不同高度的隔水幕。

进一步的，所述隔水幕系统布置在PIV流速测控系统测量范围的实验水槽内，包括设于水槽中的不同高度的隔水幕。

进一步的，所述的尾门控制系统采用与水槽相连的电动控制尾门，实现水槽内水深的调节。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出一种研究水库隔水幕分层取水的实验设备，通过进水段的隔热板，实现冷水热水明确的层次同时有稳流的作用，准确的模拟了水库的分层流动情形，与现有技术相比，本发明可以同步获得稳定的分层温度场和流速场。

2、本发明利用数控测温系统和PIV流速测控系统可实现温度与流速的同步测量，拓展了研究的方向与思路。

附图说明

图1是本发明的立体结构图；

图2是本发明的整体结构俯视图；

图3本发明的整体结构侧视图；

图4本发明数控测温系统的结构示意图；

图5本发明进口控制系统和水槽系统的结构示意图。

图中：1—水加热控制供给系统、2—进口控制系统、3—水槽系统、4—数控测温系统、5—PIV流速测控系统、6—隔水幕系统、7—取水口系统、8—尾门控制系统、9—组合式不锈钢恒温水箱、10—热泵、11—冷水管闸门、12—冷水管流量计、13—冷水管离心泵、14—热水管闸门、15—热水管流量计、16—热水管离心泵、17—进水箱、18—进水箱隔水板、19—第一挡水板、20—第二挡水板、21—分层区隔热板、22—红外热成像仪、23—激光器、24—高速摄像机、25—隔水幕、26—垂向位置固定柱、27—取水口、28—尾门、29—刻度尺、30—可移动数控测车、31—横向固定装置、32—温度探头、33—自记式温度记录仪、34—地下水库，35—冷水进水管，36—热水进水管，37—水槽，38—第一出水口，39—第二出水口。

具体实施方式

下面结合附图并用实例对本发明做进一步的详细说明，但本发明的内容不仅限于实施例中所涉及的内容，即并不意味着是对本发明保护内容的任何限定，仅是便于相关人员更加清楚理解本发明的内容和优点。

本发明是一种研究水库隔水幕分层取水的实验设备，如图1-3所示，包括水加热控制供给系统1、进口控制系统2、水槽系统3、数控测温系统4、PIV流速测控系统5、隔水幕系统6、取水口系统7、尾门控制系统8。

所述水加热控制供给系统1和进口控制系统2相连，所述进口控制系统2与水槽系统3相连，所述水槽系统3和尾门控制系统8相连，所述水槽系统3上设置有数控测温系统4，于水槽系统3内布置隔水幕系统6和取水口系统7，同时PIV流速测控系统5实现对水槽系统3流场的实时监测，通过上述八个系统共同构成整个实验的物理模型。

所述水加热控制供给系统1包括组合式不锈钢恒温水箱9、通过水管与组合式不锈钢恒温水箱9连接的热泵10以及配套数控设备，所述组合式不锈钢恒温水箱9采用聚氨脂发泡保温板，外加不锈钢薄板包装，通过保温板可以实现水箱的恒温目标，所述组合式不锈钢恒温水箱9内部连通有进水管和出水管，进水管上设有热泵10和流量计；所述热泵10以及配套数控设备可实现对水箱内水温的自动控制。

如图5所示，所述进口控制系统2包括进水箱17，所述进水箱17的底部设置有热水进水管36和冷水进水管35，所述热水进水管36与组合式不锈钢恒温水箱9的出水管末端相连，所述热水进水管36上安装有热水管闸门14、热水管流量计15、热水管离心泵16，所述冷水进水管35与地下水库34相连，所述冷水进水管35上安装有冷水管离心泵13、冷水管闸门11以及冷水管流量计12。所述进水箱17内竖直设置有进水箱隔水板18，进水箱隔水板18将进水箱17的热水进水管36和冷水进水管35分隔。所述进水箱17的出水口与水槽系统3相连，进水箱隔水板18将进水箱17出水口分为第一出水口38和第二出水口39。

如图5所示，所述水槽系统3包括与进口控制系统2出口连通的水槽37，水槽37在与进水箱17的第一出水口38相连的部分底部设置有第一挡水板19，与进水箱17的第二出水口39相连的部分上部设置有第二挡水板20，两部分进水挡板(第一挡水板19、第二挡水板20)分别与进水箱17内的进水箱隔水板18前端竖直边缘相连，并有共同的交点，由第一挡水板19、第二挡水板20的交点所在线水平延伸出1m长的分层区隔热板21，由此实现进水箱在第一出水口38排出热水，并处于分层区隔热板21上部，第二出水口39排出冷水，并处于分层区隔热板21下部，由分层区隔热板21的导流作用从而在水槽37内实现水体温度分层效果；所述水槽系统3两侧布置排水沟，水槽37底部地基需防渗。通过进水箱17的进水箱隔水板18的设置实现了水体在进入水槽37掺混区前的温度稳定，通过分别在第一出水口38和第二出水口39不同部分设置的第一挡水板19、第二挡水板20以及1m长的分层区隔热板21，可以实现不同温度水体分层进入水槽37，并形成稳定的温度场和流速场。同时通过设置进水箱17内冷水和热水进入的流量，可调节温跃层位置形成不同的温度场和流速场，实现多组实验对比的目标。

如图4所示，所述数控测温系统4包括可移动数控测车30、红外热成像仪22、自记式温度记录仪33、温度探头32、垂向位置固定柱26和刻度尺29，可移动数控测车30滑动设于水槽37内壁，垂向位置固定柱26与可移动数控测车30固定连接，红外热成像仪22用来对水体进行定性分析，在水体温跃层有必要对温度加密测量，所以红外热成像仪22可以直观的观察到水体温度分布情况。所述垂向位置固定柱26上开有槽孔，槽孔内固定安装刻度尺29和温度探头32，所述温度探头32与自记式温度记录仪33相连。通过槽孔的设置可根据实验要求调节温度探头32位置测量不同水深处的水温，同时可根据需要安装不同数量的多个温度探头32实现垂向温度多点测量的同步性。通过可移动数控测车30可实现沿水槽37移动，测量水体不同位置的温度。可移动数控测车30底部设有与实验水槽37等宽的横向固定装置31，其结构是固定于可移动数控测车30底部的一块有机玻璃板，其宽度与水槽37内部等宽，卡在水槽37内部，目的是避免小车在移动过程产生横向移动。

如图1所示，所述PIV流速测控系统5包括激光器23和高速摄像机24，所述激光器23布置在水槽37的下面，从水槽37的底部进光，所述高速摄像机24布置在水槽37的侧面，可准确测量隔水幕附近以及取水口附近的流速场分布情况。激光器23产生激光经透镜散射后形成片光射入流场待测区域，流体示踪粒子会散射射入流场中的光，由高速摄像机24记录下两次不同时刻的图像，通过图像处理技术以及统计分析两个时刻示踪粒子的位移大小和方向，从而测得流速。

所述隔水幕系统6布置在PIV流速测控系统5测量范围的实验水槽37内，包括设于水槽37中的不同高度的隔水幕25，可采用树脂玻璃板制作，测量不同隔水幕高度对提高下泄水温的效果。

所述的取水口系统7包括设于隔水幕25不同高度的取水口，例如在树脂玻璃板上开不同高度的孔洞模拟不同高度的取水口，研究取水口高度对分层取水效果的影响程度

所述的尾门控制系统8采用电动控制尾门28，实现水槽37内水深的调节，其与水槽37相连。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：包括依次连接的水加热控制供给系统(1)、进口控制系统(2)、水槽系统(3)、尾门控制系统(8)，所述水槽系统(3)上设置有数控测温系统(4)，于水槽系统(3)内布置隔水幕系统(6)和取水口系统(7)，同时PIV流速测控系统(5)实现对水槽系统(3)中流场的实时监测；所述水加热控制供给系统(1)包括组合式不锈钢恒温水箱(9)、通过进水管与组合式不锈钢恒温水箱(9)连接的热泵(10)，所述组合式不锈钢恒温水箱(9)设有出水管，所述进口控制系统(2)包括进水箱(17)，所述进水箱(17)的底部设置有热水进水管(36)和冷水进水管(35)，所述热水进水管(36)与组合式不锈钢恒温水箱(9)的出水管末端相连，所述冷水进水管(35)与地下水库(34)相连，所述进水箱(17)内竖直设置有进水箱隔水板(18)，进水箱隔水板(18)将进水箱(17)的热水进水管(36)和冷水进水管(35)分隔，所述水槽系统(3)通过设置隔水装置进水箱(17)进入的热水和冷水分隔开。

2.如权利要求1所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：所述水槽系统(3)包括与进口控制系统(2)出口连通的水槽(37)，进水箱隔水板(18)将进水箱(17)出水口分为第一出水口(38)和第二出水口(39)，所述隔水装置包括与进水箱(17)的第一出水口(38)相连的部分底部设置的第一挡水板(19)、与进水箱(17)的第二出水口(39)相连的部分上部设置的第二挡水板(20)，第一挡水板(19)、第二挡水板(20)分别与进水箱(17)内的进水箱隔水板(18)前端竖直边缘相连，并有共同的交点，由第一挡水板(19)和第二挡水板(20)的交点所在线水平延伸出设有分层区隔热板(21)，由此实现进水箱在第一出水口(38)排出热水，并处于分层区隔热板(21)上部，第二出水口(39)排出冷水，并处于分层区隔热板(21)下部。

3.如权利要求1所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：所述热水进水管(36)上安装有热水管闸门(14)、热水管流量计(15)、热水管离心泵(16)，所述冷水进水管(35)上安装有冷水管离心泵(13)、冷水管闸门(11)以及冷水管流量计(12)。

4.如权利要求1所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：所述组合式不锈钢恒温水箱(9)采用聚氨脂发泡保温板，外加不锈钢薄板包装。

5.如权利要求2所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：所述数控测温系统(4)包括可移动数控测车(30)、红外热成像仪(22)、自记式温度记录仪(33)、温度探头(32)、垂向位置固定柱(26)和刻度尺(29)，可移动数控测车(30)滑动设于水槽(37)内壁，垂向位置固定柱(26)与可移动数控测车(30)固定连接，红外热成像仪(22)用来对水体进行定性分析，所述垂向位置固定柱(26)上开有槽孔，槽孔内固定安装刻度尺(29)和温度探头(32)，所述温度探头(32)与自记式温度记录仪(33)相连。

6.如权利要求5所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：可移动数控测车(30)底部设有与实验水槽(37)等宽的横向固定装置(31)，所述横向固定装置(31)是固定于可移动数控测车(30)底部的一块有机玻璃板，其宽度与水槽(37)内部等宽，卡在水槽(37)内部。

7.如权利要求1所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：所述PIV流速测控系统(5)包括激光器(23)和高速摄像机(24)，所述激光器(23)布置在水槽(37)的下面，从水槽(37)的底部进光，所述高速摄像机(24)布置在水槽(37)的侧面，用于准确测量隔水幕附近以及取水口附近的流速场分布情况。

8.如权利要求2所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：所述隔水幕系统(6)布置在PIV流速测控系统(5)测量范围的实验水槽(37)内，包括设于水槽(37)中的不同高度的隔水幕(25)。

9.如权利要求8所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：所述隔水幕系统(6)布置在PIV流速测控系统(5)测量范围的实验水槽(37)内，包括设于水槽(37)中的不同高度的隔水幕(25)。

10.如权利要求2所述的一种模拟水温分层运动及分层取水措施效果的实验装置，其特征在于：所述的尾门控制系统(8)采用与水槽(37)相连的电动控制尾门(28)，实现水槽(37)内水深的调节。

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