CN110186649B - 冰水二相流输水试验装置的试验方法 - Google Patents

冰水二相流输水试验装置的试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冰水二相流输水试验装置及其试验方法，属于水利工程领域。试验装置包括：具有设定坡度的水槽、用于向水槽的高位端提供水源的可控引水机构、用于测量流经水槽水流流量的测流机构，水槽内远离高位端的一侧依次设置有子模拟桥墩墩柱组和可调节开度的挡板尾门，子模拟桥墩墩柱组包括多个位于水槽同一断面的半圆柱形和/或圆柱形的子模拟桥墩墩柱，子模拟桥墩墩柱组上方设置有相机，相机与显示装置连接，水槽上设置有用于测量子模拟桥墩墩柱组断面水位的水位测量机构。

Description

冰水二相流输水试验装置的试验方法
技术领域
本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种冰水二相流输水试验装置及其试验方法。
背景技术
长距离输水工程是解决水资源时空分布不均问题最有效、最直接的手段。由于调水工程输水距离一般较长，渠道在冬季经过这些高纬度地区时，渠道内水体向大气散热而引起水温沿程降低，当水温降至0℃以下时水体就会产生流冰，渠道将进入冰期输水阶段。如果不对渠道冰情加以调控，很有可能会造成冰凌灾害。长距离输水渠道的冰凌灾害主要有以下三种形式：(1)冰塞、冰坝洪水：大量冰块在水中堆积形成冰塞、冰坝，严重束窄过水断面，使冰塞、冰坝断面上游水位迅速上涨，造成漫堤；(2)冰凌堵塞：水中冰花与水面漂浮冰贴附在固体表面，如拦污栅、闸门处等，减少或完全堵塞过水断面；(3)影响水工建筑物安全：漂浮的冰块随水流运动产生较大的撞击力，冰块融化时的膨胀力也会对与之接触的建筑物产生破坏作用。因此输水渠道在冬季冰期运行时要采取一定的水力调控方法来保证运行安全。
开展冰水二相流模式下明渠输冰机理研究而提出的水力调控方法，对指导渠道冰水二相流模式下安全输水、促进我国经济发展具有直接意义，对于丰富和扩展冰水力学研究内容也具有一定价值。
而对于采用冰水二相流输水模式的明渠而言，浮冰易在桥墩断面发生卡堵，影响了输水渠道的安全运行。因此迫切需求一种试验装置以研究浮冰在渠道桥墩断面的运动规律和输移特性，以进一步开展冰水二相流模式下明渠输冰机理研究。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明旨在提供一种能够研究浮冰在渠道桥墩断面的运动规律和输移特性的冰水二相流输水试验装置及其试验方法。
为了达到上述发明创造的目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种冰水二相流输水试验装置，其包括：具有设定坡度的水槽、用于向水槽的高位端提供水源的可控引水机构、用于测量流经水槽水流流量的测流机构，水槽内远离高位端的一侧依次设置有子模拟桥墩墩柱组和可调节开度的挡板尾门，子模拟桥墩墩柱组包括多个位于水槽同一断面的半圆柱形和/或圆柱形的子模拟桥墩墩柱，子模拟桥墩墩柱组上方设置有相机，相机与显示装置连接，水槽上设置有用于测量子模拟桥墩墩柱组断面水位的水位测量机构。
进一步地，可控引水机构包括设置在水槽上方的水箱，水箱上设置有进水管、通向高位端的出水管和通向水槽外的泄水管，出水管和泄水管上分别设置有第一流量调节阀和第二流量调节阀。
进一步地，半圆柱形的子模拟桥墩墩柱的平面侧壁与水槽的内侧壁连接。
进一步地，测流机构包括设置在水槽内的薄壁堰。
进一步地，水位测量机构包括设置在水槽内侧壁的量尺。
进一步地，水槽通过与其低位端连通的回水渠与地下水库连通。
进一步地，测流机构包括设置在回水渠内的薄壁堰。
进一步地，泄水管通向地下水库，引水管通过水泵与地下水库连通。
另一方面，提供一种本方案设计的冰水二相流输水试验装置的试验方法，其包括：
根据相邻子模拟桥墩墩柱之间的净宽制作多种规格的冰块；
测定水槽的水流流量范围，并根据水流流量范围设定试验工况的不同水流流量值；
根据当前试验工况，通过可控引水机构调节水槽的水流流量至当前试验工况对应的流量值；
当水槽内的实时流量等于当前试验工况对应的流量值时，投入单个不同规格的冰块；
采用相机记录冰块在模拟桥墩墩柱组断面前的运动状态，并发送给显示装置显示；
当冰块停滞在模拟桥墩墩柱组断面时，通过调节挡板尾门逐渐减小模拟桥墩墩柱组断面的水位，直至冰块恰好通过模拟桥墩墩柱组断面，并记录此时的水流流量和模拟桥墩墩柱组断面的水位值；
根据模拟桥墩墩柱组断面处水槽的尺寸、记录的水流流量和水位值计算模拟桥墩墩柱组断面的水流流速和水流弗汝德数。
进一步地，相邻子模拟桥墩墩柱之间的净宽为a，冰块呈立方体状，其边长为L，其中，0.9a≤L≤2a。
本发明的有益效果为：
通过冰水二相流输水试验装置模拟浮冰在渠道桥墩断面的运动情况。利用可调引水机构改变水流流量，利用挡板尾门调节模拟桥墩墩柱组断面处的水位，从而改变水流流速和水流弗汝德数，结合不同规格的冰块在模拟桥墩墩柱组断面的运动状态，以便于分析不同尺寸冰块通过模拟桥墩墩柱组的临界水力参数的变化规律，及其影响因素，从而便于总结其运动规律和输移特性，对于实现冰水二相流水力调控具有重要意义，为水力调控方法的制定提供科学依据，从而促进经济发展。
附图说明
图1为具体实施例中冰水二相流输水试验装置的局部侧视示意图。
其中，1、水箱；2、第一流量调节阀；3、出水管；4、水槽；5、子模拟桥墩墩柱；6、挡板尾门；7、回水渠；8、薄壁堰；9、地下水库；10、水泵；11、进水管；12、第二流量调节阀；13、泄水管。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做详细说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，下文所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。在不脱离所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，该冰水二相流输水试验装置包括：具有设定坡度的水槽4、用于向水槽4的高位端提供水源的可控引水机构、用于测量流经水槽4水流流量的测流机构，水槽4内远离高位端的一侧依次设置有子模拟桥墩墩柱组和可调节开度的挡板尾门6，子模拟桥墩墩柱组包括多个位于水槽4同一断面的半圆柱形和/或圆柱形的子模拟桥墩墩柱5，子模拟桥墩墩柱组上方设置有相机，相机与显示装置连接，水槽4上设置有用于测量子模拟桥墩墩柱组断面水位的水位测量机构。
实施时，本方案优选可控引水机构包括设置在水槽4上方的水箱1，水箱1上设置有进水管11、通向高位端的出水管3和通向水槽4外的泄水管13，出水管3和泄水管13上分别设置有第一流量调节阀2和第二流量调节阀12。
水箱1内的水位通过调整水泵10的抽水转速、第二流量调节阀12开度以及第一流量调节阀2开度来控制。在水泵10的抽水流量与第二流量调节阀12控制的泄水管13泄水流量和第一流量调节阀2控制的出水管3出水流量之和相等时，可保证水箱1内水位稳定不变。在水箱1内水位保持稳定不变的基础上调节出水管3的水流量以使得水槽4内的水流量维持在设定值，且水位稳定，以进一步提高试验结果的准确性。
其中，半圆柱形的子模拟桥墩墩柱5的平面侧壁与水槽4的内侧壁连接，以避免冰块在模拟桥墩墩柱组断面直接与水槽4内侧壁发生接触而影响试验结果。
具体地，水槽4坡度为0.5％，长为17m，宽为0.8m，最大水深可达0.65m，模拟桥墩墩柱组包括两个圆柱形的子模拟桥墩墩柱5和两个半圆形的子模拟桥墩墩柱5，所有子模拟桥墩墩柱5的半径为5cm，相邻子模拟桥墩墩柱5之间的净宽为16.67cm。
其中，测流机构包括设置在水槽4内的薄壁堰8，水位测量机构包括设置在水槽4内侧壁的量尺。
在另一实施例中，水槽4通过与其低位端连通的回水渠7与地下水库9连通。其中，测流机构包括设置在回水渠7内的薄壁堰8。泄水管13通向地下水库9，引水管通过水泵10与地下水库9连通，以便于水的循环使用。
其中，位于子模拟桥墩墩柱5与可控引水机构之间的水槽4内设置有整流机构，如整流栅，用于平顺水流，从而提高试验的准确性。
另一方面，本方案还提供一种本方案设计的冰水二相流输水试验装置的试验方法，其包括：
根据相邻子模拟桥墩墩柱5之间的净宽制作多种规格的冰块；
测定水槽4的水流流量范围，并根据水流流量范围设定试验工况的不同水流流量值；
根据当前试验工况，通过可控引水机构调节水槽4的水流流量至当前试验工况对应的流量值；
当水槽4内的实时流量等于当前试验工况对应的流量值时，投入单个不同规格的冰块；
采用相机记录冰块在模拟桥墩墩柱组断面前的运动状态，并发送给显示装置显示；
当冰块停滞在模拟桥墩墩柱组断面时，通过调节挡板尾门6逐渐减小模拟桥墩墩柱组断面的水位，直至冰块恰好通过模拟桥墩墩柱组断面，并记录此时的水流流量和模拟桥墩墩柱组断面的水位值；
根据模拟桥墩墩柱组断面处水槽4的尺寸、记录的水流流量和水位值计算模拟桥墩墩柱组断面的水流流速和水流弗汝德数。
不同的冰块尺寸，在同样水流条件下，其前缘效应和文丘里效应也不一样，其通过模拟桥墩墩柱组断面的临界水力参数也不相同。并且同水流流速相比，水流弗汝德数综合了水流流速和水深的影响，无量纲化，更适宜用来作为判断冰块能否通过模拟桥墩墩柱组的临界参数。
实施时，本方案优选相邻子模拟桥墩墩柱5之间的净宽为a，冰块呈立方体状，其边长为L，其中，0.9a≤L≤2a。以进一步确保所有冰块在上述试验装置具体尺寸的约束下，不借助水利条件的情况下都不能顺利通过模拟桥墩墩柱组断面。具体地，冰块的边长L有四种，分别为16cm、20cm、24cm和32cm；冰块的厚度t有两种，分别为3cm和6cm。

Claims (4)

1.一种冰水二相流输水试验装置的试验方法，其特征在于，冰水二相流输水试验装置包括：具有设定坡度的水槽(4)、用于向所述水槽(4)的高位端提供水源的可控引水机构、用于测量流经水槽(4)水流流量的测流机构，所述水槽(4)内远离所述高位端的一侧依次设置有子模拟桥墩墩柱组和可调节开度的挡板尾门(6)，所述子模拟桥墩墩柱组包括多个位于所述水槽(4)同一断面的半圆柱形和/或圆柱形的子模拟桥墩墩柱(5)，所述子模拟桥墩墩柱组上方设置有相机，所述相机与显示装置连接，所述水槽(4)上设置有用于测量所述子模拟桥墩墩柱组断面水位的水位测量机构；所述可控引水机构包括设置在水槽(4)上方的水箱(1)，所述水箱(1)上设置有进水管(11)、通向所述高位端的出水管(3)和通向水槽(4)外的泄水管(13)，所述出水管(3)和泄水管(13)上分别设置有第一流量调节阀(2)和第二流量调节阀(12)；所述水槽(4)通过与其低位端连通的回水渠(7)与地下水库(9)连通；所述测流机构包括设置在所述回水渠(7)内的薄壁堰(8)；所述泄水管(13)通向所述地下水库(9)，所述进水管(11)通过水泵(10)与所述地下水库(9)连通；
所述试验方法包括：
根据相邻子模拟桥墩墩柱(5)之间的净宽制作多种规格的冰块；
测定水槽(4)的水流流量范围，并根据所述水流流量范围设定试验工况的不同水流流量值；
根据当前试验工况，通过可控引水机构调节水槽(4)的水流流量至当前试验工况对应的流量值；
当水槽(4)内的实时流量等于当前试验工况对应的流量值时，投入单个不同规格的冰块；
采用相机记录冰块在模拟桥墩墩柱组断面前的运动状态，并发送给显示装置显示；
当冰块停滞在模拟桥墩墩柱组断面时，通过调节挡板尾门(6)逐渐减小模拟桥墩墩柱组断面的水位，直至冰块恰好通过模拟桥墩墩柱组断面，并记录此时的水流流量和模拟桥墩墩柱组断面的水位值；
根据模拟桥墩墩柱组断面处水槽(4)的尺寸、记录的所述水流流量和水位值计算模拟桥墩墩柱组断面的水流流速和水流弗汝德数。
2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述半圆柱形的子模拟桥墩墩柱(5)的平面侧壁与水槽(4)的内侧壁连接。
3.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述水位测量机构包括设置在所述水槽(4)内侧壁的量尺。
4.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，相邻子模拟桥墩墩柱(5)之间的净宽为a，所述冰块呈立方体状，其边长为L，其中，0.9a≤L≤2a。
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