CN112133179B - 一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台 - Google Patents

一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台，用来解决现有的水泵实验室设备由于空间狭小，保证水泵在实验中能较为稳定的运行的前提下，难以在实验流道中形成自由液面的技术难题，和以往在实验室中为了得到较为稳定的自由液面，需要占用过多的实验场地相比较，无论是在节约试验场地还是节省经费资金方面本发明都具有一定的显著优势。本发明的安装过程简单易操作，可靠性高，在一定的程度上也给实验设备的安装工人减少了工作量。同时本发明得到的自由液面流态稳定，也适用于其他需要得到自由液面的实验。

Description

一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实 验台
技术领域
本发明涉及一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台，针对尤其是空间狭小或者高水位进水箱难以形成自由液面的实验台，属于泵站工程技术领域。
背景技术
拦污栅在泵站的运行过程中一直是处于重要的位置，其拦污性能的好坏会对水泵运行过程中的安全和稳定造成一定的影响，另外在拦污栅的使用过程中，拦污栅上阻拦的污物体积和数量会随着使用时间的增加而增加，当其达到一个临界状态时，势必会对拦污栅的栅前水头和栅后水头造成影响，因此越来越多的专家学者对拦污栅给泵站稳定性能的影响在实验室进行研究。目前在实验室中进行研究时，因为实验室的局限性，水泵的研究设备大多数采用的是密闭循环式装置，该装置的优点是密闭的管路系统不会被较大的水压破坏，且能满足绝大多数水泵实验需要的工况。但是研究拦污栅这样的需要在拦污栅栅前形成自由液面，为了实验的科学性和验证实验结果本身的普适性，需要拦污栅的实验流道是开敞式或半开敞式，往往会因为密闭式循环管道内的水流过急，难以形成自由液面，单纯的控制进水池内的水量又不能达到实验室循环式水泵的运行要求，为了得到自由液面增加拦污栅实验的流道长度又会过多的占用实验场地和增加大量的不必要支出。为了投放污物直接将拦污栅的实验流道做成开敞式或半开敞式时，密闭循环式装置往往会有水洒出，会污染实验室环境，严重的甚至会导致安全事故的发生。因此，有必要设计一种能在狭小空间内得到自由液面的实验台，保证实验过程中水流的稳定性，并且该试验台的改造花费较少，其在拦污栅实验的过程中，能提供一定的流道给栅前的如杂草、水花生、漂流瓶等实验污物进行近距离模拟漂流实验和远距离漂流实验，以达到拦污栅性能研究对水泵的影响的目的和相关实验要求。
发明内容
本发明专利针对上述现有实验设备存在的不足，设计了一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台，用来解决现有的水泵实验室设备由于空间狭小，保证水泵在实验中能较为稳定的运行的前提下，难以在实验流道中形成自由液面的技术难题，和以往在实验室中为了得到较为稳定的自由液面，需要占用过多的实验场地相比较，无论是在节约试验场地还是节省经费资金方面本发明都具有一定的显著优势。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台，其特征是：包括进水管道、密闭式透明分流高位水箱、分流板、透明主体实验流道水箱、模拟远距离不规则污物运动水箱、拦污栅及拦污栅卡槽，所述拦污栅卡槽包括拦污栅30°卡槽、拦污栅60°卡槽、拦污栅90°卡槽；
进水管道、密闭式透明分流高位水箱、模拟远距离不规则污物运动水箱、透明主体实验流道水箱依次贯通连接；
所述分流板设置于密闭式透明分流高位水箱内，拦污栅30°卡槽、拦污栅60°卡槽、拦污栅90°卡槽安装于透明主体实验流道水箱内，将拦污栅8安装固定在拦污栅30°卡槽5或拦污栅60°卡槽6或拦污栅90°卡槽7上；
所述分流板的数量为若干个，若干个分流板的厚度相同，若干个分流板在密闭式透明分流高位水箱内自与进水管道连接的一边向另一边高度渐小。
所述透明主体实验流道水箱由透明有机玻璃制成，透明主体实验流道水箱为开敞式矩形水箱。
所述分流板的数量为若干个，若干个分流板在密闭式透明分流高位水箱内自与进水管道连接的一边向另一边高度渐小。
1)、当实验开始时，水流由密闭式透明分流高位水箱内的分流板形成水位相对高度低于拦污栅顶端位置15cm位置处，为了试验能稳定进行，需对拦污栅栅前流量进行计算，具体计算公式如下：
由于透明主体实验流道水箱和模拟远距离不规则污物运动水箱内的水流流量是一样的，而透明主体实验流道水箱为矩形结构，故可以按照公式(一)明渠均匀流中的矩形渠道计算流量：
Figure BDA0002722260180000031
A＝bh (二)
Figure BDA0002722260180000032
Figure BDA0002722260180000033
式中：Q为透明主体实验流道水箱和模拟远距离不规则污物运动水箱内的水流流量，单位为m3/s；A为透明主体实验流道水箱内的过水断面面积，单位为m2；C为谢齐系数；R为水力半径；i为渠道比降，取值范围为1/1200～1/1500；b为透明主体实验流道水箱底部宽度，单位为m；h为透明主体实验流道水箱内的过水深度，单位为m；n为透明主体实验流道水箱糙率，取0.015；
2)、密闭式透明分流高位水箱位于进水箱一侧，密闭式透明分流高位水箱的高度不低于进水箱的高度，由进水管道将密闭式透明分流高位水箱和进水箱贯通连接，相同厚度但是高度依次减小的分流板位于密闭式透明分流高位水箱内，分流板的厚度为3cm，为将进水箱内的水流流经密闭式透明分流高位水箱位到达拦污栅时形成自由液面，需要将分流板按照不同的高度和间距来分开放置；而分流板的高度P和安放间距L根据透明主体实验流道水箱和模拟远距离不规则污物运动水箱内的水流流量Q计算，具体计算公式如下：
分流板按照公式(五)矩形薄壁堰流计算公式：
Figure BDA0002722260180000034
Figure BDA0002722260180000041
由公式(五)和公式(六)可知分流板的高度P可按照公式(七)计算
Figure BDA0002722260180000042
式中：Q为透明主体实验流道水箱和模拟远距离不规则污物运动水箱内的水流流量，单位为m3/s；m0为行近流速影响的流量系数；b为透明主体实验流道水箱底部宽度，单位为m；g为重力加速度，取值9.8m/s2；H为堰上水头，单位为m，取值范围在0.05m～0.1m；P为分流板的高度，单位为m；
分流板的安放间距L可按照公式(八)计算：
L＝3H (八)
当计算出分流板的高度P和安放间距L后，根据实验室的大小，调整分流板的数量，根据计算得出的第一块分流板的高度P和安放间距L，保持安放间距L不变，分流板的高度P依次增加H高度；
模拟远距离不规则污物运动水箱一端与密闭式透明分流高位水箱连接，另一端与透明主体实验流道水箱相连，其深度与透明主体实验流道水箱一致，宽度与透明主体实验流道水箱宽度一致。
有益效果：本发明的基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台，针对现有的实验室中的高水位密闭水箱在实验过程中，由于试验场地的局限性，往往难以在狭小的空间内短距离形成自由液面，改善了以往需要增加场地面积，或者加设长距离流道的技术手段。减少了实验台的改造花费和实验设备的占地面积，而且本发明的安装过程简单易操作，可靠性高，在一定的程度上也给实验设备的安装工人减少了工作量。同时本发明得到的自由液面流态稳定，也适用于其他需要得到自由液面的实验。
目前，我国的机电排灌工程分布的数量大，范围广。特别是我国的工农业的迅猛发展，对泵站工程的水泵效率要求逐渐提高，越来越多的科技工作者将主要精力投入到了泵站工程的研究中，由于拦污栅对水泵的运行效率起到了一定的影响，所以对拦污栅的研究也逐渐成为当下的热门话题。本发明主要针对由于实验室场地狭小，在有限的近距离空间内得到拦污栅栅前的自由液面较为困难的难题。方便了研究拦污栅对水泵效率等问题的研究，也为其他需要得到自由液面的实验提供了一种思路。
附图说明
图1为本发明专利的剖面示意图。
图2为本发明专利的平面示意图。
图中：1进水管道、2密闭式透明分流高位水箱、3分流板、4透明主体实验流道水箱、5拦污栅30°卡槽、6拦污栅60°卡槽、7拦污栅90°卡槽、8拦污栅、9模拟远距离不规则污物运动水箱、10进水箱。
具体实施方式
下面结合附图和附图说明对本发明作进一步说明：
基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台，由进水管道1、密闭式透明分流高位水箱2、分流板3、透明主体实验流道水箱4、模拟远距离不规则污物运动水箱9、拦污栅8及拦污栅30°卡槽5、拦污栅60°卡槽6、拦污栅90°卡槽7组成。拦污栅8及拦污栅30°卡槽5、拦污栅60°卡槽6、拦污栅90°卡槽7设置安装在透明主体实验流道水箱4内，透明主体实验流道水箱4主要由透明有机玻璃制成，其主体为开敞式矩形水箱。
进水管道1、密闭式透明分流高位水箱2、模拟远距离不规则污物运动水箱9、透明主体实验流道水箱4依次贯通连接；分流板3设置于密闭式透明分流高位水箱2内，拦污栅30°卡槽5、拦污栅60°卡槽6、拦污栅90°卡槽7安装于透明主体实验流道水箱4内，将拦污栅8根据实验过程中的不同角度需求安装固定在拦污栅30°卡槽5或拦污栅60°卡槽6或拦污栅90°卡槽7上；
分流板3的数量为若干个，若干个分流板3在密闭式透明分流高位水箱2内自与进水管道1连接的一边向另一边高度渐小。
当实验开始时，水流由密闭式透明分流高位水箱2内的分流板3形成水位相对高度低于拦污栅8顶端位置15cm位置处，为了试验能稳定进行，需对拦污栅8栅前流量进行计算。
现以透明主体实验流道水箱4底部宽度b为1m、透明主体实验流道水箱4内的过水深度h为0.8m、透明主体实验流道水箱4糙率n取0.015、渠道比降i取1/1500作为计算案例。具体计算过程如下所示：
由公式(一)、公式(二)、公式(三)、公式(四)可得到透明主体实验流道水箱4的流量Q：
Figure BDA0002722260180000061
A＝bh＝0.8m2
Figure BDA0002722260180000062
式中：Q为透明主体实验流道水箱4和模拟远距离不规则污物运动水箱9内的水流流量，单位为m3/s；A为透明主体实验流道水箱4内的过水断面面积，单位为m2；C为谢齐系数；R为水力半径；i为渠道比降，取值为1/1500；b为透明主体实验流道水箱4底部宽度，单位为m；h为透明主体实验流道水箱4内的过水深度，单位为m；n为透明主体实验流道水箱4糙率，取0.015。
得到透明主体实验流道水箱4和模拟远距离不规则污物运动水箱9内的水流流量Q后，代入到公式(七)中，可得到分流板3的高度P和安放间距L：
Figure BDA0002722260180000063
L＝3H＝0.15m
式中：Q为透明主体实验流道水箱4和模拟远距离不规则污物运动水箱9内的水流流量，单位为m3/s；m0为行近流速影响的流量系数；b为透明主体实验流道水箱4底部宽度，单位为m；g为重力加速度，取值9.8m/s2；H为堰上水头，单位为m，本次计算中H取0.05m；P为分流板3的高度，单位为m。
由计算结果可知，要达到透明主体实验流道水箱4和模拟远距离不规则污物运动水箱9内的水流流量Q为0.63m3/s时，需要密闭式透明分流高位水箱2内的分流板3的高度P最低为2.15m，后续的分流板3依次增加5cm，每块分流板3的间距为15cm。

Claims (2)

1.一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台，其特征是：包括进水管道(1)、密闭式透明分流高位水箱(2)、分流板(3)、透明主体实验流道水箱(4)、模拟远距离不规则污物运动水箱(9)、拦污栅(8)及拦污栅卡槽，所述拦污栅卡槽包括拦污栅30°卡槽(5)、拦污栅60°卡槽(6)、拦污栅90°卡槽(7)；
进水管道(1)、密闭式透明分流高位水箱(2)、模拟远距离不规则污物运动水箱(9)、透明主体实验流道水箱(4)依次贯通连接；
所述分流板(3)设置于密闭式透明分流高位水箱(2)内，拦污栅30°卡槽(5)、拦污栅60°卡槽(6)、拦污栅90°卡槽(7)安装于透明主体实验流道水箱(4)内，将拦污栅(8)安装固定在拦污栅30°卡槽(5)或拦污栅60°卡槽(6)或拦污栅90°卡槽(7)上；
所述分流板(3)的数量为若干个，若干个分流板(3)的厚度相同，若干个分流板(3)在密闭式透明分流高位水箱(2)内自与进水管道(1)连接的一边向另一边高度渐小；
1)、当实验开始时，水流由密闭式透明分流高位水箱(2)内的分流板(3)形成水位相对高度低于拦污栅(8)顶端位置15cm位置处，为了试验能稳定进行，需对拦污栅(8)栅前流量进行计算，具体计算公式如下：
由于透明主体实验流道水箱(4)和模拟远距离不规则污物运动水箱(9)内的水流流量是一样的，而透明主体实验流道水箱(4)为矩形结构，故可以按照公式(一)明渠均匀流中的矩形渠道计算流量：
Figure FDA0003502911910000011
A＝bh (二)
Figure FDA0003502911910000012
Figure FDA0003502911910000013
式中：Q为透明主体实验流道水箱(4)和模拟远距离不规则污物运动水箱(9)内的水流流量，单位为m3/s；A为透明主体实验流道水箱(4)内的过水断面面积，单位为m2；C为谢齐系数；R为水力半径；i为渠道比降，取值范围为1/1200～1/1500；b为透明主体实验流道水箱(4)底部宽度，单位为m；h为透明主体实验流道水箱(4)内的过水深度，单位为m；n为透明主体实验流道水箱(4)糙率，取0.015；
2)、密闭式透明分流高位水箱(2)位于进水箱(10)一侧，密闭式透明分流高位水箱(2)的高度不低于进水箱(10)的高度，由进水管道(1)将密闭式透明分流高位水箱(2)和进水箱(10)贯通连接，相同厚度但是高度依次减小的分流板(3)位于密闭式透明分流高位水箱(2)内，分流板(3)的厚度为3cm，为将进水箱(10)内的水流流经密闭式透明分流高位水箱(2)位到达拦污栅(8)时形成自由液面，需要将分流板(3)按照不同的高度和间距来分开放置；而分流板(3)的高度P和安放间距L根据透明主体实验流道水箱(4)和模拟远距离不规则污物运动水箱(9)内的水流流量Q计算，具体计算公式如下：
分流板按照公式(五)矩形薄壁堰流计算公式：
Figure FDA0003502911910000021
Figure FDA0003502911910000022
由公式(五)和公式(六)可知分流板(3)的高度P可按照公式(七)计算
Figure FDA0003502911910000023
式中：Q为透明主体实验流道水箱(2)和模拟远距离不规则污物运动水箱(9)内的水流流量，单位为m3/s；m0为行近流速影响的流量系数；b为透明主体实验流道水箱(2)底部宽度，单位为m；g为重力加速度，取值9.8m/s2；H为堰上水头，单位为m，取值范围在0.05m～0.1m；P为分流板(3)的高度，单位为m；
分流板(3)的安放间距L可按照公式(八)计算：
L＝3H (八)
当计算出分流板(3)的高度P和安放间距L后，根据实验室的大小，调整分流板(3)的数量，根据计算得出的第一块分流板(3)的高度P和安放间距L，保持安放间距L不变，分流板(3)的高度P依次增加H高度；
模拟远距离不规则污物运动水箱(9)一端与密闭式透明分流高位水箱(2)连接，另一端与透明主体实验流道水箱(4)相连，其深度与透明主体实验流道水箱(4)一致，宽度与透明主体实验流道水箱(4)宽度一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于高水位密闭水箱近距离内形成自由液面的拦污栅实验台，其特征是：所述透明主体实验流道水箱(4)由透明有机玻璃制成，透明主体实验流道水箱(4)为开敞式矩形水箱。
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