CN111127992B - 自动生成地形的河流演变模拟装置及实验方法 - Google Patents

自动生成地形的河流演变模拟装置及实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种自动生成地形的河流演变模拟装置及实验方法，包括矩形框架结构、地形打印系统、水循环系统、编程控制及采集系统；所述地形打印系统包括导轨、丝杆、滑块、打印喷嘴、泥浆罐；所述水循环系统包括下水底板、收集槽、一级沉降罐、二级沉降罐、过滤器、水泵、喷淋器、流水管头，所述下水底板和所述收集槽安装在所述框架结构上，收集槽位于下水底板的下方，二级沉降罐储存的水通过所述水泵泵入所述喷淋器和所述流水管头；所述编程控制及采集系统包括编程计算机、控制器、视频监控器，所述编程计算机可根据输入的地形等高线图自动生成对应的三维地形图并导出控制代码，控制器可根据控制代码控制步进电机的动作，打印出泥浆质地形模型。

Description

自动生成地形的河流演变模拟装置及实验方法
技术领域
本发明涉及河流地质领域，特别涉及一种自动生成地形的河流演变模拟装置及实验方法。
背景技术
自然河流经过长期的地质作用演变形成曲流河、辫状河和网状河等，经过沉积作用形成各种地质构造，如点沙坝、心滩、河漫滩、冲积扇和河口三角洲等。由于自然河流的演变过程缓慢，地质学者们对河流的研究往往通过野外河流相露头考察、使用各种设备对地层进行剖析等手段推演河流的演变历程，以了解河流在各个历史时期的形态及特点，工作复杂且艰辛。目前也有研究者们通过室内实验装置，模拟水流在砂体模型中的流动来研究河流的演变过程，这些装置存在不足在于：只是简单地铺设不同层次的砂体来研究，不能对真实的地形情况进行模型塑造，来具体分析某一河流在该地形环境中的演变。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种自动生成地形的河流演变模拟装置及实验方法，利用地形打印系统打印三维泥浆地形模型；通过水循环系统模拟不同时期不同含水期的河流，以及模拟降雨活动；再通过视频监控器记录模型的变化，以研究河流演变规律及沉积特点，可实现无人值守，在短时期内实现对某一地区的地形及河流长期演变的真实模拟，或者设计一种地形进行自定义模拟，来反映不同河流的演变过程及特点，为地质相关专业的学者研究河流相规律提供参考和帮助，同时起到实验教学的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种自动生成地形的河流演变模拟装置，包括矩形框架结构、地形打印系统、水循环系统和编程控制及采集系统，所述地形打印系统采用三轴运动机构，包括固定在所述矩形框架结构上的平行双X导轨，在所述双X导轨之间水平设置沿双X导轨水平滑动的Y导轨，在所述Y导轨上竖直设置有沿Y导轨水平滑动的Z导轨，在所述Z导轨上设置有沿Z导轨竖直滑动的打印喷嘴，所述打印喷嘴通过管线依次连接慢速泥浆泵和泥浆罐；所述水循环系统包括安装在所述矩形框架结构上且用于支撑地形模型的下水底板和位于所述下水底板下方且用于收集河流在演变过程中的带水泥浆的收集槽，所述收集槽通过管线依次连接有一级沉降罐、二级沉降罐、过滤器和水泵，所述水泵的出水管线并联连接有用于模拟降雨的喷淋器和用于模拟河流入水口的流水管头；所述编程控制及采集系统包括编程计算机和分别与编程计算机电性连接的控制器和用于采集记录河流演变过程的视频监控器，所述控制器根据编程计算机的指令分别控制三轴运动机构和慢速泥浆泵。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述矩形框架结构长1500mm、宽800mm、高1000mm且采用5mm厚度的角钢结构焊接而成，框架四个侧面安装有塑料或玻璃隔板。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述平行双X导轨通过轴座固定在所述矩形框架结构，所述双X导轨、Y导轨和Z导轨均由两条直径12mm的平行圆钢轨道组成，在两条平行圆钢轨道的正中间位置均设置有丝杆，在所述双X导轨、Y导轨和Z导轨上分别设置有穿过两条平行圆钢轨道且与丝杆转动连接的滑块，每个丝杆的一端均与步进电机转动连接且控制器控制每个步进电机的转动，所述打印喷嘴固定在所述Z导轨上的滑块上。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述喷淋器铰接于所述矩形框架结构上，所述喷淋器和所述水泵之间的管线上设置有第二截止阀。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述流水管头为固定在矩形框架结构上可自由改变形状的定型软管，所述流水管头和水泵之间的管线上设置有流量控制阀。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述一级沉降罐和二级沉降罐的尺寸均为直径500mm、高度800mm、容积0.15m3 的敞口罐，在所述一级沉降罐高600mm处与二级沉降罐之间通过管线连接，在管线上设置有第一截止阀。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述过滤器为上滤层采用过滤棉材料和下滤层采用活性炭材料的双滤层结构。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述下水底板设置为中间凸起且四周凹陷形成围槽的结构，所述围槽向中心方向倾斜且底部均匀开设有若干下水孔。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述收集槽为一侧斜向下15°倾斜的梯形结构且最低侧设有出水口，出水口与一级沉降罐连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：本发明还提供一种自动生成地形的河流演变模拟装置进行自动生成地形的河流演变模拟的实验方法，包括以下步骤：
S1、准备工作：
1)在编程计算机上绘制地形等高线图，自动生成对应的三维地形图，并导出控制代码；
2)通过编程计算机预置的归零代码，导入控制器，调整打印喷嘴至原点位置；
3)配置泥浆并装入泥浆罐中；
4)往二级沉降罐中预装清水；
5)检查水泵、慢速泥浆泵、喷淋器，流水管头是否能正常工作；
6)清洗下水底板；
S2、打印地形：
1)将编程计算机导出的控制代码导入控制器；
2)通过控制器控制慢速泥浆泵和步进电机的运行从而控制打印喷嘴的运动轨迹实现三维地形的打印；
3)三维地形打印好后待干燥一段时间；
S3、河流演变模拟：
1)将第一截止阀打开、第二截止阀关闭，将流水管头固定至指定位置；
2)启动水泵，调节流量控制阀改变流水管头的出水量；
3)再将第二截止阀打开，通过移动喷淋器的喷头至不同位置可以模拟降雨环境；
4)下水地板上的演变过程中的泥浆水依次流入到收集槽、一级沉降罐、二级沉降罐中，通过过滤器将泥浆水过滤成清水后循环利用；
S4、清理及再次实验：
1)河流演变模拟实验结束时，需清洗一级沉积罐、二级沉积罐、过滤器、下水底板和收集槽等；
2)再次实验时可重复步骤S1-S4。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：编程计算机可根据输入的地形等高线图自动生成对应的三维地形图并导出控制代码，控制器根据控制代码分别控制步进电机和慢速泥浆泵，使得三轴运动机构带动打印喷嘴运动，慢速泥浆泵控制打印喷嘴的泥浆打印量，能够打印出微缩版的真实复杂地形或者自行设计的模型地形；采用水循环系统，可以模拟不同时期不同含水期的河流状态以及降雨环境，该系统中水可以循环利用，节约水资源，再通过视频监控器记录模型的变化以研究河流演变规律及沉积特点，可实现无人值守，在短时期内实现对某一地区的地形及河流长期演变的真实模拟，或者设计一种地形进行自定义模拟，来反映不同河流的演变过程及特点，为地质相关专业的学者研究河流相规律提供参考和帮助，同时起到实验教学的目的。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的部分立体示意图；
图3为本发明的框架的立体结构示意图；
图4为本发明的下水底板的平面结构示意图；
图5为本发明的收集槽的立体结构示意图；
图中，1、矩形框架结构；2、双X导轨；3、Y轨道；4、Z轨道；5、步进电机；6、打印喷嘴；7、视频监控器；8、喷淋器；9、流水管头；10、一级沉降罐；11、第一截止阀；12、二级沉降罐；13、过滤器；14、水泵；15、流量控制阀；16、第二截止阀；17、泥浆罐；18、慢速泥浆泵；19、控制器；20、编程计算机；21、丝杆；22、滑块；23、下水底板；24、收集槽；25、围槽；26、下水孔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1-图5所示，一种自动生成地形的河流演变模拟装置，包括矩形框架结构1、地形打印系统、水循环系统和编程控制及采集系统。
所述矩形框架结构1长1500mm、宽800mm、高1000mm且采用5mm厚度的角钢结构焊接而成，框架四个侧面安装有塑料或玻璃隔板；
所述地形打印系统是通过三轴运动机构打印出微缩版的真实复杂地形或者自行设计的模型地形，包括通过轴座固定在所述框架结构1上的平行双X导轨2，在双X导轨2之间水平设置沿双X导轨2水平滑动的Y导轨3，在Y导轨3上竖直设置有沿Y导轨3水平滑动的Z导轨4，双X导轨2、Y导轨3和Z导轨4均由两条直径12mm的平行圆钢轨道组成，在两条平行圆钢轨道的正中间位置均设置有丝杆21，在所述双X导轨2、Y导轨3和Z导轨4上分别设置有穿过两条平行圆钢轨道且与丝杆21转动连接的滑块22，所述打印喷嘴6固定在所述Z导轨4上的滑块22上，每个丝杆21的一端均与步进电机5转动连接，所述控制器19根据编程计算机20的指令分别控制每个步进电机5和慢速泥浆泵18，所述打印喷嘴6通过管线依次连接慢速泥浆泵18和泥浆罐17，慢速泥浆泵18控制打印喷嘴6的泥浆打印量，能够打印出微缩版的真实复杂地形或者自行设计的模型地形。
所述水循环系统包括安装在所述矩形框架结构1上且用于支撑地形模型的下水底板23和位于所述下水底板23下方且用于收集河流在演变过程中的泥浆水的收集槽24，所述收集槽24通过管线依次连接有一级沉降罐10、二级沉降罐12、过滤器13和水泵14，所述水泵14的出水管线并联连接有用于模拟降雨的喷淋器8和用于模拟河流入水口的流水管头9，所述喷淋器8铰接于所述矩形框架结构1上，可使喷淋器8的喷头移动至不同位置用于模拟降雨环境，所述喷淋器8和所述水泵14之间的管线上设置有第二截止阀16，所述流水管头9为固定在矩形框架结构1上可自由改变形状的定型软管，所述流水管头9和水泵14之间的管线上设置有流量控制阀15，通过调节流量控制阀15即可改变河流水流量的大小，以模拟洪水期、平水期以及枯水期的河流状态，所述一级沉降罐10和二级沉降罐12的尺寸均为直径500mm、高度800mm、容积0.15m3 的敞口罐，在所述一级沉降罐10高600mm处与二级沉降罐12之间通过管线连接，在管线上设置有第一截止阀11，所述二级沉降罐12通过管线与过滤器13连接，所述过滤器13为上滤层采用过滤棉材料和下滤层采用活性炭材料的双滤层结构，所述下水底板23设置为中间凸起且四周凹陷形成围槽25的结构，围槽25向中心方向倾斜且底部均匀开设有若干下水孔26，收集槽24为一侧斜向下15°倾斜的梯形结构且最低侧设有出水口，出水口与一级沉降罐10连接，下水底板23上的演变过程中的泥浆水一部分通过下水孔26流至收集槽24中，进而流至一级沉降罐10中，当一级沉降罐10中水位到达600mm处时会自动流入二级沉降罐12中，过滤器13将泥浆水过滤成清水实现水资源循环利用。
所述编程控制及采集系统包括编程计算机20和分别与编程计算机20电性连接的控制器19和用于采集记录河流演变过程的视频监控器7，编程计算机20可根据输入的地形等高线图自动生成对应的三维地形图并导出控制代码，控制器19可根据编程计算机20导出的控制代码控制慢速泥浆泵18将泥浆罐17中的泥浆泵入打印喷嘴6的泵入量并且能控制步进电机5的运动从而带动丝杆21转动，进而控制打印喷嘴6的运动轨迹，通过视频监控器记录模型的变化，以研究河流演变规律及沉积特点，可实现无人值守。
发明还提供一种自动生成地形的河流演变模拟装置进行自动生成地形的河流演变模拟的实验方法，包括以下步骤：
S1、准备工作：
1)在编程计算机20上绘制地形等高线图，自动生成对应的三维地形图，导出控制代码；
2)通过编程计算机20预置的归零代码，导入控制器19，调整打印喷嘴6至原点位置；
3)配置泥浆并装入泥浆罐17中；
4)往二级沉降罐12中预装清水；
5)预启动水泵14和慢速泥浆泵18，检查是否能正常工作，打开流量控制阀15和第二截止阀16，检查喷淋器8和流水管头9是否能正常工作，然后将水泵14和慢速泥浆泵18关闭；
6)清洗下水底板23；
S2、打印地形：
1)将编程计算机20导出的控制代码导入控制器19；
2)控制器19可根据控制代码控制慢速泥浆泵18将泥浆罐17中的泥浆泵入打印喷嘴6的泵入量并且能控制步进电机5的运动从而带动丝杆21转动，进而控制打印喷嘴6在下水底板23上的运动轨迹；
3)三维地形打印好后待干燥一段时间；
S3、河流演变模拟：
1)将第一截止阀11打开、第二截止阀16关闭，将流水管头9固定至指定位置后；
2)启动水泵14，调节流量控制阀15即可改变河流水流量的大小，以模拟洪水期、平水期以及枯水期的河流状态；
3)再将第二截止阀16打开，通过移动喷淋器8的喷头至不同位置可以模拟降雨环境；
4)下水底板23上的演变过程中的泥浆水通过下水孔26流至收集槽24中，由于收集槽24一侧斜向下15°倾斜且最低侧设有出水口，所以泥浆水流至一级沉降罐10中，当一级沉降罐10中水位到达600mm高度时会自动流入二级沉降罐12中，二级沉降罐12通过管线与过滤器13连接，过滤器13将泥浆水过滤成清水后循环利用；
S4、清理及再次实验：
1)河流演变模拟实验结束后，需清洗一级沉积罐10、二级沉积罐12、过滤器13下水底板23和收集槽24等；
2)再次实验时可重复步骤S1-S4。

Claims (5)

1.一种自动生成地形的河流演变模拟装置，其特征在于：包括矩形框架结构(1)、地形打印系统、水循环系统和编程控制及采集系统，所述地形打印系统采用三轴运动机构，包括固定在所述矩形框架结构(1)上的平行双X导轨(2)，所述双X导轨(2)通过轴座固定在所述矩形框架结构(1)，在所述双X导轨(2)之间水平设置有沿双X导轨(2)水平滑动的Y导轨(3)，在所述Y导轨(3)上竖直设置有沿Y导轨(3)水平滑动的Z导轨(4)，在所述Z导轨(4)上设置有沿Z导轨(4)竖直滑动的打印喷嘴(6)，所述双X导轨(2)、Y导轨(3)和Z导轨(4)均由两条直径12mm的平行圆钢轨道组成，在两条平行圆钢轨道的正中间位置均设置有丝杆(21)，在所述双X导轨(2)、Y导轨(3)和Z导轨(4)上分别设置有穿过两条平行圆钢轨道且与丝杆(21)转动连接的滑块(22)，每个丝杆(21)的一端均与步进电机(5)转动连接且控制器(19)控制每个步进电机(5)的转动，所述打印喷嘴(6)固定在所述Z导轨(4)上的滑块(22)上，所述打印喷嘴(6)通过管线依次连接慢速泥浆泵(18)和泥浆罐(17)；所述水循环系统包括安装在所述矩形框架结构(1)上且用于支撑地形模型的下水底板(23)和位于所述下水底板(23)下方且用于收集河流在演变过程中的泥浆水的收集槽(24)，所述下水底板(23)设置为中间凸起且四周凹陷形成围槽(25)的结构，所述围槽(25)向中心方向倾斜且底部均匀开设有若干下水孔(26)，所述收集槽(24)为一侧斜向下15°倾斜的梯形结构且最低侧设有出水口，出水口与一级沉降罐(10)连接，所述收集槽(24)通过管线依次连接有一级沉降罐(10)、二级沉降罐(12)、过滤器(13)和水泵(14)，所述水泵(14)的出水管线并联连接有用于模拟降雨的喷淋器(8)和用于模拟河流入水口的流水管头(9)；所述喷淋器(8)铰接于所述矩形框架结构(1)上，所述喷淋器(8)和所述水泵(14)之间的管线上设置有第二截止阀(16)，所述流水管头(9)为固定在矩形框架结构(1)上可自由改变形状的定型软管，所述流水管头(9)和水泵(14)之间的管线上设置有流量控制阀(15)，所述编程控制及采集系统包括编程计算机(20)和分别与编程计算机(20)电性连接的控制器(19)和用于采集记录河流演变过程的视频监控器(7)，所述控制器(19)根据编程计算机(20)的指令分别控制三轴运动机构和慢速泥浆泵(18)。
2.根据权利要求1所述的一种自动生成地形的河流演变模拟装置，其特征在于：所述矩形框架结构(1)长1500mm、宽800mm、高1000mm且采用5mm厚度的角钢结构焊接而成，框架四个侧面安装有塑料或玻璃隔板。
3.根据权利要求1所述的一种自动生成地形的河流演变模拟装置，其特征在于：所述一级沉降罐(10)和二级沉降罐(12)的尺寸均为直径500mm、高度800mm、容积0.15m3的敞口罐，在所述一级沉降罐(10)高600mm处与二级沉降罐(12)之间通过管线连接，在管线上设置有第一截止阀(11)。
4.根据权利要求1所述的一种自动生成地形的河流演变模拟装置，其特征在于：所述过滤器(13)为上滤层采用过滤棉材料和下滤层采用活性炭材料的双滤层结构。
5.根据权利要求1所述的自动生成地形的河流演变模拟装置进行自动生成地形的河流演变模拟的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、准备工作：
①在编程计算机(20)上绘制地形等高线图，自动生成对应的三维地形图，并导出控制代码；
②通过编程计算机(20)预置的归零代码，导入控制器(19)，调整打印喷嘴(6)至原点位置；
③配置泥浆并装入泥浆罐(17)中；
④往二级沉降罐(12)中预装清水；
⑤检查水泵(14)、慢速泥浆泵(18)、喷淋器(8)，流水管头(9)是否能正常工作；
⑥清洗下水底板(23)；
S2、打印地形：
①将编程计算机(20)导出的控制代码导入控制器(19)；
②通过控制器(19)控制慢速泥浆泵(18)和步进电机(5)的运行从而控制打印喷嘴(6)的运动轨迹实现三维地形的打印；
③三维地形打印好后待干燥一段时间；
S3、河流演变模拟：
①将第一截止阀(11)打开、第二截止阀(16)关闭，将流水管头(9)固定至指定位置；
②启动水泵(14)，调节流量控制阀(15)改变流水管头(9)的出水量；
③再将第二截止阀(16)打开，通过移动喷淋器(8)的喷头至不同位置可以模拟降雨环境；
④下水底板(23)上的演变过程中的泥浆水依次流入到收集槽(24)、一级沉降罐(10)、二级沉降罐(12)中，通过过滤器(13)将泥浆水过滤成清水后循环利用；
S4、清理及再次实验：
①河流演变模拟实验结束时，需清洗一级沉积罐(10)、二级沉积罐(12)、过滤器(13)下水底板(23)和收集槽(24)等；
②再次实验时可重复步骤S1-S4。
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