CN110174238A - 一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置及模型沙选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，涉及基于基础水槽试验的异重流物理模型试验技术领域，解决了现有技术中并没有用于选择具有特定特征的模型沙的装置的技术问题。用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置包括浑水储存箱、浑水输送装置、浑水流出流量控制装置、检测装置和河床模拟装置，浑水储存箱通过浑水输送装置与浑水流出流量控制装置相连通，浑水流出流量控制装置与河床模拟装置相连通，其中河床模拟装置中注有清水，本发明能使操作者根据不同的模型沙在不同条件下形成的异重流的流速、厚度以及浊度值特征筛选出需要的模型沙以进行低含沙量异重流物理模型试验，填补了用于选择具有特定特征的模型沙的装置的空白。
Description
技术领域
本发明涉及基于基础水槽试验的异重流物理模型试验技术领域，尤其是涉及一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置及模型沙选择方法。
背景技术
异重流是指在重力场中由于流体密度差异而产生的分层流动，又称密度流或重力流。水流各部分温度不同，水流中挟带细粒泥沙或含有盐份等，都会产生流体密度差异而形成异重流。异重流可分双层体系和多层体系两类。在自然界中，异重流的表现形式有水库中的分层潜流，河流入海口盐水入侵淡水，大气中冷暖气流所形成的锋面等。对水流而言,引起密度差异的主要因素有:含沙量、水温、溶解质含量。由于水流挟带泥沙而形成的异重流称浑水异重流。流进水库的浑浊河水成舌状水流潜入库底，在水库清水之下沿库底向前运动，形成水库异重流；两河交汇，当各自水流含沙量不同时，可在汇合处产生分层运动现象，形成河道异重流。由于水流温度不同而引起的异重流称为温差异重流。进入湖泊(或水库)的冷河水，潜入湖底，形成下层异重流向前运动；火电厂的冷却水经冷凝器受热排入河流后，在较冷的河水上层沿程流动，形成上层异重流。由于水流含有盐分而形成的异重流称为盐水异重流，合理运用在库底运动的浑水异重流可把泥沙排走,减少水库淤积,是水库减淤的主要措施；在给水工程中，根据异重流特性设计沉淀池，有利泥沙落淤，可获得较好的水质；修建火电厂可利用温差异重流特性，设置较深的取水孔引取冷水，而设置较高的排水孔排放热水，因此研究并利用异重流的特性能够便利人们的生活。在研究异重流时人们普遍用模型沙在模拟试验装置中进行试验，而现有技术中并没有用于筛选具有特定特征的模型沙的装置，以便于用筛选出的模型沙进行含特定沙的异重流物理模型试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置及模型沙选择方法，以解决现有技术中并没有用于选择具有特定特征的模型沙的装置的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，包括含模型沙的浑水储存箱、浑水输送装置、浑水流出流量控制装置、检测装置和河床模拟装置，所述浑水储存箱通过所述浑水输送装置与所述浑水流出流量控制装置相连通，所述浑水流出流量控制装置与所述河床模拟装置相连通，其中所述河床模拟装置中注有清水，不同种模型沙分别通过调节清水与浑水之间的温度差来模拟表、中、底层浑水异重流，每种模型沙分别在形成表、中、底层浑水异重流时人们能够通过控制浑水含沙量的变化以及浑水流量的变化用所述检测装置来测量多组浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据并记录，通过数据的对比选择出需要的模型沙。
可选地，所述浑水流出流量控制装置为箱体，所述箱体侧壁开有流量孔，所述流量孔在不同水平面上的宽度不同。
可选地，所述河床模拟装置包括水槽、前池和底坡，所述前池和所述底坡设置于所述水槽内，所述前池和所述底坡相连接，所述水槽支架采用金属架构，侧壁采用透明材质制造。
可选地，在所述水槽内所述前池的高度高于所述底坡的高度，所述前池与所述底坡相连接部分为一斜面，所述底坡高度由所述前池至所述水槽末端渐小。
可选地，所述检测装置包括摄像机，所述摄像机可移动设置于水槽附近。
可选地，所述检测装置包括电磁流速仪，所述电磁流速仪设置于所述底坡起始端。
可选地，所述检测装置还包括OBS3+浊度仪，测量异重流浊度。
一种异重流物理模型试验模型沙选择方法，包括以下步骤：
A：确定试验变量；
B：向水槽(6)中注入清水；向浑水储存箱(1)中注入一定量的清水，称取配置浑水所需要的模型沙，将模型沙倒入所述浑水储存箱(1)中并搅拌均匀；
C：将所述浑水储存箱(1)中配置好的浑水定量输送至所述水槽(6)，并用检测装置测量并记录形成的浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据；
D：在试验变量不同取值时，分别检测并记录形成的浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据；
E：改变试验变量重复步骤B-D；
F：根据试验结果分析不同模型沙在不同条件下形成的异重流物理机制，并依据分析结果确定需要的模型沙。
可选地，所述试验变量包括含沙量、浑水流量、底坡比降和清水与浑水之间的温度差。
可选地，步骤C中包括将电磁流速仪架在异重流潜入点附近，设置好参数；将拍摄每个断面的照相机、摄像机放在合适的位置，安排专门人员进行控制；准备OBS3+浊度仪；先开启所述电磁流速仪，然后将所述浑水储存箱(1)中配置好的浑水定量输送至所述水槽(6)，用所述摄像机跟踪异重流头部移动拍摄，以记录异重流到达各断面的所用时间；用所述照相机拍下各监测断面在不同时间的异重流厚度，试验后再由指定试验员读取；采用OBS3+浊度仪记录异重流沿程头部浊度值及各断面垂线浊度值。
本发明提供一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，包括含模型沙的浑水储存箱、浑水输送装置、浑水流出流量控制装置、检测装置和河床模拟装置，所述浑水储存箱通过所述浑水输送装置与所述浑水流出流量控制装置相连通，所述浑水流出流量控制装置与所述河床模拟装置相连通，其中所述河床模拟装置中注有清水，本发明能够在河床模拟装置中模拟河道中异重流的形成以及演化过程，并能使操作者根据不同的模型沙在不同条件下形成的异重流的流速、厚度以及浊度值特征筛选出需要的模型沙以进行低含沙量异重流物理模型试验，本发明结构简单，使用方便，填补了用于选择具有特定特征的模型沙的装置的空白。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置的整体结构示意图；
图2为用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置的浑水流出流量控制装置右视图。
图中1、浑水储存箱；2、浑水输送装置；3、浑水流出流量控制装置；4、河床模拟装置；5、流量孔；6、水槽；7、前池；8、底坡。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，如图1所示，包括含模型沙的浑水储存箱1、浑水输送装置2、浑水流出流量控制装置3、检测装置和河床模拟装置4，所述浑水储存箱1通过所述浑水输送装置2与所述浑水流出流量控制装置3相连通，所述浑水流出流量控制装置3与所述河床模拟装置4相连通，其中所述河床模拟装置4中注有清水，不同种模型沙分别通过调节清水与浑水之间的温度差来模拟表、中、底层浑水异重流，每种模型沙分别在形成表、中、底层浑水异重流时人们能够通过控制浑水含沙量的变化以及浑水流量的变化用所述检测装置来测量多组浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据并记录，通过数据的对比选择出需要的模型沙。
本发明能够在河床模拟装置4中模拟河道中异重流的形成以及演化过程，并能使操作者根据不同的模型沙在不同条件下形成的异重流的流速、厚度以及浊度值特征筛选出需要的模型沙以进行低含沙量异重流物理模型试验，本发明结构简单，使用方便，填补了用于选择具有特定特征的模型沙的装置的空白；
进一步地，在浑水流出流量控制装置3前设置有浑水储存箱1，浑水储存箱1内设置有搅拌装置，防止浑水的沉淀，所述浑水储存箱1通过所述浑水输送装置2与所述浑水流出流量控制装置3相连通，将浑水输送至浑水流出流量控制装置3，能够使浑水在浑水流出流量控制装置3中尽可能的减小波动，使浑水稳定的从浑水流出流量控制装置3中流出，保证试验的稳定性；流量孔5优选为圆形，其直径为2.5cm。
作为可选地实施方式，如图2所示，所述浑水流出流量控制装置3为箱体，所述箱体侧壁开有流量孔5，所述流量孔5在不同水平面上的宽度不同。
本发明所述浑水流出流量控制装置3为箱体，用于暂时存储浑水，所述箱体侧壁开有流量孔5，浑水能够从流量孔5内流至河床模拟装置4模拟异重流，所述流量孔5在不同水平面上的宽度不同，可以依据浑水在箱体内的水位高度控制浑水从流量孔5中流出的流量，从而使使用者能够控制试验的一变量，且该结构简单实用。
作为可选地实施方式，所述河床模拟装置4包括水槽6、前池7和底坡8，所述前池7和所述底坡8设置于所述水槽6内，所述前池7和所述底坡8相连接，所述水槽6支架采用金属架构，侧壁采用透明材质制造。
本发明所述河床模拟装置4包括水槽6、前池7和底坡8，所述前池7和所述底坡8设置于所述水槽6内，所述前池7和所述底坡8相连接，水槽6模拟河道，底坡8模拟河底上下游，前池7用来消除浑水从浑水流出流量控制装置3中落下的势能，浑水由前池7流动至底坡8形成异重流；所述水槽6支架采用金属架构，充分保证了水槽6的强度，侧壁采用透明材质制造，便于在试验中观察；进一步地，水槽6总长为30m，宽0.1m，高0.8m。
作为可选地实施方式，在所述水槽6内所述前池7的高度高于所述底坡8的高度，所述前池7与所述底坡8相连接部分为一斜面，所述底坡8高度由所述前池7至所述水槽6末端渐小。
本发明在所述水槽6内所述前池7的高度高于所述底坡8的高度，便于混水从前池7流至底坡8；所述前池7与所述底坡8相连接部分为一斜面，保证浑水均匀过渡至底坡8，使浑水稳定，保证实验的可靠性；所述底坡8高度由所述前池7至所述水槽6末端渐小，用来模拟河道上下游，使试验更加接近真实情况，保证试验结果的可靠性。
作为可选地实施方式，所述检测装置包括摄像机，所述摄像机可移动设置于水槽6附近。
本发明所述检测装置包括摄像机，所述摄像机可移动设置于水槽6附近，用摄像机跟踪异重流头部移动拍摄，以记录异重流到达各断面的所用时间。
作为可选地实施方式，所述检测装置包括电磁流速仪，所述电磁流速仪设置于所述底坡8起始端。
本发明所述电磁流速仪设置于所述底坡8起始端，用来测量流速。
作为可选地实施方式，所述检测装置还包括OBS3+浊度仪，测量异重流浊度。
本发明所述检测装置还包括OBS3+浊度仪，采用OBS3+浊度仪记录异重流沿程头部浊度值及各断面垂线浊度值，每个断面浑水层测3-5个点，试验后再由指定试验员通过前期标定的浊度与含沙量关系得到含沙量。
一种异重流物理模型试验模型沙选择方法，包括以下步骤：
A：确定试验变量；
B：向水槽(6)中注入清水；向浑水储存箱(1)中注入一定量的清水，称取配置浑水所需要的模型沙，将模型沙倒入所述浑水储存箱(1)中并搅拌均匀；
C：将所述浑水储存箱(1)中配置好的浑水定量输送至所述水槽(6)，并用检测装置测量并记录形成的浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据；
D：在试验变量不同取值时，分别检测并记录形成的浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据；
E：改变试验变量重复步骤B-D；
F：根据试验结果分析不同模型沙在不同条件下形成的异重流物理机制，并依据分析结果确定需要的模型沙。
本发明在上述步骤中，能够以不同试验变量分别进行试验，根据试验数据选择出需要的模型沙，试验方法简单实用，能够以最简单的方法解决模型沙的选用问题。
可选地，所述试验变量包括含沙量、浑水流量、底坡比降和清水与浑水之间的温度差。
本发明所述试验变量包括含沙量、浑水流量、底坡比降和清水与浑水之间的温度差，使试验变量更加多元化，进而试验出更多的数据，有利于选择出更加满意的模型沙。
作为可选地实施方式，步骤C中包括将电磁流速仪架在异重流潜入点附近，设置好参数；将拍摄每个断面的照相机、摄像机放在合适的位置，安排专门人员进行控制；准备OBS3+浊度仪；先开启所述电磁流速仪，然后将所述浑水储存箱1中配置好的浑水定量输送至所述水槽6，用所述摄像机跟踪异重流头部移动拍摄，以记录异重流到达各断面的所用时间；用所述照相机拍下各监测断面在不同时间的异重流厚度，试验后再由指定试验员读取；采用OBS3+浊度仪记录异重流沿程头部浊度值及各断面垂线浊度值。
本发明采用不同的设备进行电子测量，使数据更加精准，使试验结果更加可靠。
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，任何熟悉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以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，其特征在于：包括含模型沙的浑水储存箱(1)、浑水输送装置(2)、浑水流出流量控制装置(3)、检测装置和河床模拟装置(4)，所述浑水储存箱(1)通过所述浑水输送装置(2)与所述浑水流出流量控制装置(3)相连通，所述浑水流出流量控制装置(3)与所述河床模拟装置(4)相连通，其中所述河床模拟装置(4)中注有清水，不同种模型沙分别通过调节清水与浑水之间的温度差来模拟表、中、底层浑水异重流，每种模型沙分别在形成表、中、底层浑水异重流时人们能够通过控制浑水含沙量的变化以及浑水流量的变化用所述检测装置来测量多组浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据并记录，通过数据的对比选择出需要的模型沙。
2.按照权利要求1所述的用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，其特征在于：所述浑水流出流量控制装置(3)为箱体，所述箱体侧壁开有流量孔(5)，所述流量孔(5)在不同水平面上的宽度不同。
3.按照权利要求1所述的用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，其特征在于：所述河床模拟装置(4)包括水槽(6)、前池(7)和底坡(8)，所述前池(7)和所述底坡(8)设置于所述水槽(6)内，所述前池(7)和所述底坡(8)相连接，所述水槽(6)支架采用金属架构，侧壁采用透明材质制造。
4.按照权利要求3所述的用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，其特征在于：在所述水槽(6)内所述前池(7)的高度高于所述底坡(8)的高度，所述前池(7)与所述底坡(8)相连接部分为一斜面，所述底坡(8)高度由所述前池(7)至所述水槽(6)末端渐小。
5.按照权利要求3所述的用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，其特征在于：所述检测装置包括摄像机，所述摄像机可移动设置于水槽(6)附近。
6.按照权利要求5所述的用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，其特征在于：所述检测装置包括电磁流速仪，所述电磁流速仪设置于所述底坡(8)起始端。
7.按照权利要求6所述的用于异重流物理模型试验的模型沙选择装置，其特征在于：所述检测装置还包括OBS3+浊度仪，测量异重流浊度。
8.一种异重流物理模型试验模型沙选择方法，其特征在于，包括以下步骤：
A：确定试验变量；
B：向水槽(6)中注入清水；向浑水储存箱(1)中注入一定量的清水，称取配置浑水所需要的模型沙，将模型沙倒入所述浑水储存箱(1)中并搅拌均匀；
C：将所述浑水储存箱(1)中配置好的浑水定量输送至所述水槽(6)，并用检测装置测量并记录形成的浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据；
D：在试验变量不同取值时，分别检测并记录形成的浑水异重流在不同时间的流速、厚度以及浊度值的数据；
E：改变试验变量重复步骤B-D；
F：根据试验结果分析不同模型沙在不同条件下形成的异重流物理机制，并依据分析结果确定需要的模型沙。
9.按照权利要求8所述的异重流物理模型试验模型沙选择方法，其特征在于：所述试验变量包括含沙量、浑水流量、底坡比降和清水与浑水之间的温度差。
10.按照权利要求8所述的异重流物理模型试验模型沙选择方法，其特征在于：步骤C中包括将电磁流速仪架在异重流潜入点附近，设置好参数；将拍摄每个断面的照相机、摄像机放在合适的位置，安排专门人员进行控制；准备OBS3+浊度仪；先开启所述电磁流速仪，然后将所述浑水储存箱(1)中配置好的浑水定量输送至所述水槽(6)，用所述摄像机跟踪异重流头部移动拍摄，以记录异重流到达各断面的所用时间；用所述照相机拍下各监测断面在不同时间的异重流厚度，试验后再由指定试验员读取；采用OBS3+浊度仪记录异重流沿程头部浊度值及各断面垂线浊度值。
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