CN111121854B - 测量挑流消能工消能率的装置及使用方法 - Google Patents

测量挑流消能工消能率的装置及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量挑流消能工消能率的装置，包括水槽，所述水槽上设有桁架，桁架上安装有水深测尺，在水槽的外侧挂有图板，在水槽中设有调节闸门；所述水深测尺包括横向定位杆和垂向标尺杆，横向定位杆两端分别搭接在水槽两侧壁上，垂向标尺杆穿过横向定位杆并于其垂直；所述调节闸门包括调节遥杆、齿轮轨道和挡水闸门，齿轮轨道固定于挡水闸门侧面，与调节遥杆连接，通过调节摇杆带动挡水闸门升降。本发明的一种测量挑流消能工消能率的装置及使用方法，能精确挑流消能工消能率，该设施和方法运行简单，使用方便。

Description

测量挑流消能工消能率的装置及使用方法
技术领域
本发明涉及测量挑流消能工消能率的装置及使用方法，属于水利工程泄洪消能领域。
背景技术
挑流消能由于结构简单、消能率高和施工方便，在水利水电工程中有广泛的应用。挑流消能工的消能过程一般分为坎上消能、空中消能和下游水垫消能三部分。消能率是反应消能效果的一种方式。具体是指计算断面的能量差，一般分为相对和绝对。消能率计算断面位置不同，则计算得到的消能率所包含的含义和大小不同。
对于挑流消能，无论采取什么形式的挑流鼻坎，在目前的水工模型试验中特别关注不同方案的挑流鼻坎之间的存在的消能率差异，这里所指的消能率着重研究从鼻坎进口断面到水舌落点延长断面之后的消能率。试验过程中，如果不采取任何措施而直接测量水舌落点延长线后的下游水深，则受来流条件和结构参数的影响，水舌落点下游水流流态有可能出现水跃、掺气、回流漩滚等流态，不同流态形式测量得到的消能率大小有可能会存在较大差异，严重影响测量精度。而且，对不同挑流鼻坎的结构的试验方案，但在同一来流条件下，由于在下游渠道形成急变流后会导致延长断面的水深相同，无法量测出不同方案的消能率差异。因此，目前急需一种测量方法，以便能准确比较不同鼻坎结构方案下的消能率大小。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测量挑流消能工消能率的装置及使用方法，能精确挑流消能工消能率，该设施和方法运行简单，使用方便。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的测量挑流消能工消能率的装置，包括水槽，所述水槽上设有桁架，桁架上安装有水深测尺，在水槽的外侧挂有图板，在水槽中设有调节闸门；所述水深测尺包括横向定位杆和垂向标尺杆，横向定位杆两端分别搭接在水槽两侧壁上，垂向标尺杆穿过横向定位杆并于其垂直；所述调节闸门包括调节遥杆、齿轮轨道和挡水闸门，齿轮轨道固定于挡水闸门侧面，与调节遥杆连接，通过调节摇杆带动挡水闸门升降。
作为优选，所述水槽和图板均采用有机玻璃制作，图板上标有横向和垂向的标尺。
一种上述的测量挑流消能工消能率的装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一，在实验室挑射流试验装置形成挑射流，观察水流入水点及水跃发生起始点位置；
步骤二，以挑射流出水口横向中点为(0,0)点(xz平面)，用标尺量出挑射流最高点(xmax,zmax)和入水点(x1,z1)坐标，建立抛物线方程(公式1)；
z＝ax2+bx+c (公式1)
式中，a、b、c由上述量取的三点确定；
步骤三，将测绘图板挂于挑射流入水点附近，调整测绘图板，使其横向和垂向的标尺分别于水平方向和垂直方向平行；
步骤四，通过公式1计算下述z2，z3，z4…，zn的值：
z2＝ax2 2+bx2+c (x2＝x1+1*5cm)
z3＝ax3 2+bx3+c (x3＝x1+2*5cm)
z4＝ax4 2+bx4+c (x4＝x1+3*5cm)
…
zn＝axn 2+bxn+c (xn＝x1+(n-1)*5cm)
步骤五，以挑射流出水口横向中点为(0,0)点为起点，用水笔在测绘图板标出(x2、z2)、(x3、z3)、(x4、z4)…(xn、zn)点所在位置，并连成光滑曲线M；
步骤六，透过测绘图板确定光滑曲线M与水槽底坡交点位置，移动垂向定位杆，使其位于交点的正上方一侧；移动水深测尺中横向定位杆，使其位于交点的另一侧并固定，横向移动垂向标尺杆，使其位于水槽正中央并固定，且不接触水面；
步骤七，转动调节闸门中调节遥杆，则挡水闸门垂向运动，增加或减少水槽下游水位，则上游水跃发生位置也将发生改变，当水跃跃前断面刚好在横向移动垂向标尺杆正下方，固定闸门；
步骤八，移动水深测尺中横向定位杆，使其位于水跃跃后断面(旋滚消失位置)，松开并垂向移动垂向标尺杆，直至达到水槽底部，读取垂向标尺杆读数，设为h2，即为水跃跃后断面水深，根据公式2，求出水跃跃前水深h1；
J(h1)＝J(h2) (公式2)其中
Figure BDA0002349197110000021
步骤九，根据消能率计算公式(公式3)，求出此消能工的消能率。
消能率计算公式
Figure BDA0002349197110000031
其中Eo＝d+ho+Vo 2/(2g)，为鼻坎进口断面0-0相对于下游底板的总能量，E1＝h1+V1 2/(2g)，为水舌落点位置1-1断面能量，d为上下游渠道底板高程差，Vo和V1’分别为上下游计算断面平均流速，ho和h1分别为计算断面平均水深。Vo和V1’分别为上下游计算断面平均流速，根据Q/(b*h)，Q为流量，b为断面宽度，h为该处水深。
在本发明中，所述水槽及测绘图板采用有机玻璃(亚克力板)制作，测绘图板上标有横向和垂向的标尺。
在本发明中，所述垂向标尺杆侧壁标有刻度尺，0刻度位于最底部刻度为。
在本发明中，所述调节遥杆转动，实现挡水闸门的垂向运动。
有益效果：本发明提供一种测量挑流消能工消能率的装置及实现方法，能精确挑流消能工消能率，该设施和方法运行简单，使用方便；受水跃表面水流旋滚的影响，跃前断面水深难以精确测量，而跃后断面水流较为平缓，因此可以通过水跃方程(公式2)进行推导，由此推导的跃前断面水深具有足够的精度。
附图说明
图1测量挑流消能工消能率的装置三维示意图。
图2测绘图板三维示意图。
图3水深测尺三维示意图。
图4调节闸门三维示意图。
图5为挑射流的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图5所示。本发明的测量挑流消能工消能率的装置及实现方法，包含测绘图板1、水深测尺2、调节闸门3、桁架4(图1)。所述测绘图板1包括测绘图板5和垂向定位杆6(图2)，图板挂于水槽外侧；所述水深测尺2包括横向定位杆7和垂向标尺杆8，横向定位杆两端分别搭接在水槽两侧壁上，垂向标尺杆穿过横向定位杆并于其垂直；所述调节闸门3包括调节遥杆9、齿轮轨道10、挡水闸门11，齿轮轨道固定于挡水闸门侧面，与调节遥杆连接。
在本发明中，所述水槽及测绘图板采用有机玻璃(亚克力板)制作，测绘图板上标有横向和垂向的标尺。在本发明中，所述垂向标尺杆侧壁标有刻度尺，0刻度位于最底部刻度为。在本发明中，所述调节遥杆转动，实现挡水闸门的垂向运动。
一种测量挑流消能工消能率的实现方法包括：
步骤一，在实验室挑射流试验装置形成挑射流，观察水流入水点及水跃发生起始点位置；
步骤二，以挑射流出水口横向中点为(0,0)点(xz平面)，用标尺量出挑射流最高点(xmax,zmax)和入水点(x1,z1)坐标，建立抛物线方程(公式1)；
z＝ax2+bx+c (公式1)
式中，a、b、c由上述量取的三点确定。
步骤三，将测绘图板挂于挑射流入水点附近，调整测绘图板，使其横向和垂向的标尺分别于水平方向和垂直方向平行；
步骤四，通过公式1计算下述z2，z3，z4…，zn的值：
z2＝ax2 2+bx2+c (x2＝x1+1*5cm)
z3＝ax3 2+bx3+c (x3＝x1+2*5cm)
z4＝ax4 2+bx4+c (x4＝x1+3*5cm) (公式1)
…
zn＝axn 2+bxn+c (xn＝x1+(n-1)*5cm)
步骤五，以挑射流出水口横向中点为(0,0)点为起点，用水笔在测绘图板标出(x2、z2)、(x3、z3)、(x4、z4)…(xn、zn)点所在位置，并连成光滑曲线M；
步骤六，透过测绘图板确定光滑曲线M与水槽底坡交点位置，移动垂向定位杆，使其位于交点的正上方一侧；移动水深测尺中横向定位杆，使其位于交点的另一侧，固定，横向移动垂向标尺杆，使其位于水槽正中央(不接触水面)，固定；
步骤七，转动调节闸门中调节遥杆，则挡水闸门垂向运动，增加或减少水槽下游水位，则上游水跃发生位置也将发生改变，当水跃跃前断面刚好在横向移动垂向标尺杆正下方，固定闸门；
步骤八，移动水深测尺中横向定位杆，使其位于水跃跃后断面(旋滚消失位置)，松开并垂向移动垂向标尺杆，直至达到水槽底部，读取垂向标尺杆读数，设为h2，即为水跃跃后断面水深，根据公式2，求出水跃跃前水深h1。
J(h1)＝J(h2) (公式2)其中
Figure BDA0002349197110000051
步骤九，根据消能率计算公式(公式3)，求出此消能工的消能率。
消能率计算公式
Figure BDA0002349197110000052
(公式3)，如图5所示，其中Eo＝d+ho+Vo 2/(2g)，为鼻坎进口断面0-0相对于下游底板的总能量，E1＝h1+V1’2/(2g)，为水舌落点位置1-1断面能量，d为上下游渠道底板高程差，Vo和V1’分别为上下游计算断面平均流速，ho和h1分别为计算断面平均水深。
在本发明中，受水跃表面水流旋滚的影响，跃前断面水深难以精确测量，而跃后断面水流较为平缓，因此可以通过水跃方程(公式2)进行推导，由此推导的跃前断面水深和消能工的消能率具有足够的精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种测量挑流消能工消能率的装置，其特征在于：包括水槽，所述水槽上设有桁架，桁架上安装有水深测尺，在水槽的外侧挂有图板，在水槽中设有调节闸门；所述水深测尺包括横向定位杆和垂向标尺杆，横向定位杆两端分别搭接在水槽两侧壁上，垂向标尺杆穿过横向定位杆并于其垂直；所述调节闸门包括调节遥杆、齿轮轨道和挡水闸门，齿轮轨道固定于挡水闸门侧面，与调节遥杆连接，通过调节摇杆带动挡水闸门升降。
2.根据权利要求1所述的测量挑流消能工消能率的装置，其特征在于：所述水槽和图板均采用有机玻璃制作，图板上标有横向和垂向的标尺。
3.一种权利要求1或2所述的测量挑流消能工消能率的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在实验室挑射流试验装置形成挑射流，观察水流入水点及水跃发生起始点位置；
步骤二，以挑射流出水口横向中点为(0,0)点，用标尺量出挑射流最高点(xmax,zmax)和入水点(x1,z1)坐标，建立抛物线方程公式1；
z＝ax2+bx+c 公式1
式中，a、b、c由上述量取的三点确定；
步骤三，将图板挂于挑射流入水点附近，调整图板，使其横向和垂向的标尺分别于水平方向和垂直方向平行；
步骤四，通过公式1计算下述z2，z3，z4…，zn的值：
z2＝ax2 2+bx2+c(x2＝x1+1*5cm)
z3＝ax3 2+bx3+c(x3＝x1+2*5cm)
z4＝ax4 2+bx4+c(x4＝x1+3*5cm)
…
zn＝axn 2+bxn+c(xn＝x1+(n-1)*5cm)
步骤五，以挑射流出水口横向中点为(0,0)点为起点，用水笔在图板标出(x2、z2)、(x3、z3)、(x4、z4)…(xn、zn)点所在位置，并连成光滑曲线M；
步骤六，透过图板确定光滑曲线M与水槽底坡交点位置，移动垂向定位杆，使其位于交点的正上方一侧；移动水深测尺中横向定位杆，使其位于交点的另一侧并固定，横向移动垂向标尺杆，使其位于水槽正中央并固定，且不接触水面；
步骤七，转动调节闸门中调节遥杆，则挡水闸门垂向运动，增加或减少水槽下游水位，则上游水跃发生位置也将发生改变，当水跃跃前断面刚好在横向移动垂向标尺杆正下方，固定闸门；
步骤八，移动水深测尺中横向定位杆，使其位于水跃跃后断面，松开并垂向移动垂向标尺杆，直至达到水槽底部，读取垂向标尺杆读数，设为h2，即为水跃跃后断面水深，根据公式2，求出水跃跃前水深h1；
J(h1)＝J(h2)公式2，其中
Figure FDA0003100329740000021
Q为流量，通过水位流量曲线可知Q值，g为重力加速度，A为该处断面面积；
步骤九，根据消能率计算公式公式3，求出此消能工的消能率；
消能率计算公式
Figure FDA0003100329740000022
公式3，其中Eo＝d+ho+Vo 2/(2g)，为鼻坎进口断面相对于下游底板的总能量，E1＝h1+V1 2/(2g)，为水舌落点位置断面能量，d为上下游渠道底板高程差，Vo和V1分别为上下游计算断面平均流速，ho和h1分别为计算断面平均水深。
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