CN112945814A - 实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验装置及其使用方法，用于模拟城市管网污泥沉降，所述实验装置包括第一搅拌桶、沉积管路、至少一个观测器以及调节单元；所述第一搅拌桶用于储存污泥，并将所述污泥搅拌均匀；所述沉积管路的进口端与所述第一搅拌桶连通，搅拌均匀后的所述污泥流入至所述沉积管路，并在所述沉积管路内沉积；所述沉积管路开设有至少一个观测窗口，所述至少一个观测器架设于所述至少一个观测窗口的正上方，用于检测所述沉积管路内的污泥沉积高度；所述调节单元用于调节流入至所述沉积管路内的污泥的流速和所述沉积管路的倾斜角度，以模拟城市管网污泥沉降。本发明可以很便利的搭建出模拟不同地点的城市管网的真实情况的实验条件。

Description

实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及沉降技术领域，具体涉及一种实验装置及其使用方法。

背景技术

我国城市化进程不断加快，城市规模不断扩张,城市发展速度迅猛。在这一进程中，各大城市均表现出不同的城市问题，其中，有超过60％的城市发生过城市洪涝灾害，并且每年都在持续发生，城市内涝灾害严重阻碍了城市的健康发展,影响人们的正常生产与生活。与城市内涝灾害直接相关的城市基础设施便是城市污水管网，在城市经济迅猛发展的过程中，城市污水管网发展滞后严重，尤其是市内老城区的污水管网已无法满足城市排涝减灾的需求。探究得到污泥在城市管网中的沉降规律，为城市管网建设贡献出一份力量，缓解城市内涝灾害，造福人类的重要性显而易见。

现有的探究污泥沉降的方法是利用ANSYS-Fluent软件模拟的，该软件是一款功能强大的计算流体力学软件包，可对工业应用中的流动、湍流、热交换和各类反应进行建模。然而，软件模拟方法中参数的设定等均是基于理想条件，与实际情况有所区别，无法细致入微的模拟城市管网污泥沉降，导致模拟结果不可靠。

因此，急需提出一种实验装置及其使用方法，从实验平台角度出发，用于模拟城市管网污泥沉降，解决现有技术中存在的软件模拟方法精确度较低，缺乏验证手段，进而导致模拟结果不可靠的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种实验装置及其使用方法，旨在解决现有技术中存在的软件模拟方法投入成本较大，且与实际情况有所区别，无法细致入微的模拟城市管网污泥的技术问题。

本发明提供了一种实验装置，用于模拟城市管网污泥沉降，所述实验装置包括第一搅拌桶、沉积管路、至少一个观测器以及调节单元；

所述第一搅拌桶用于储存污泥，并将所述污泥搅拌均匀；

所述沉积管路的进口端与所述第一搅拌桶连通，搅拌均匀后的所述污泥流入至所述沉积管路，并在所述沉积管路内沉积；

所述沉积管路开设有至少一个观测窗口，所述至少一个观测器架设于所述至少一个观测窗口的正上方，用于检测所述沉积管路内的污泥沉积高度；

所述调节单元用于调节流入至所述沉积管路内的污泥的流速和所述沉积管路的倾斜角度，以模拟城市管网污泥沉降。

在本发明一些可能的实现方式中，所述调节单元包括至少一个高度调节器和调速阀；

所述至少一个高度调节器设置于所述沉积管路的下方，用于调节所述沉积管路的倾斜角度；

所述调速阀设置于所述第一搅拌桶和所述沉积管路之间，用于调节流至所述沉积管路内的污泥的流速。

在本发明一些可能的实现方式中，所述实验装置还包括测速仪，所述沉积管路开设一个测速窗口，所述测速窗口设置在所述至少一个观测窗口靠近所述沉积管路的进口端的一侧，所述测速仪通过所述测速窗口测量所述沉积管路内的污泥的流速。

在本发明一些可能的实现方式中，所述实验装置还包括工控机，所述工控机分别与所述至少一个高度调节器、所述测速仪和所述至少一个观测器通讯连接，用于根据所述污泥沉降高度、所述沉积管路的倾斜角度以及所述污泥的流速计算出在所述沉积管路的倾斜角度不变的情况下，所述污泥沉沉积速率与所述污泥的流速和所述污泥沉降高度的关系。

在本发明一些可能的实现方式中，当所述沉积管路的倾斜角度为1度时，所述污泥沉积速率与所述流速和所述污泥沉降高度之间的关系为：

其中，

为污泥沉积速率，y为所述污泥沉降高度，D为所述沉积管路的直径，u为污泥的流速，u_mf为污泥颗粒的沉降速度，x为污泥沉积位置与沉积管路的进口端之间的距离。

在本发明一些可能的实现方式中，所述实验装置还包括循环回路，所述循环回路的两端分别与所述沉积管路的出口端以及所述第一搅拌桶连通，用于将流经所述沉积管路的污泥重新输入至所述第一搅拌桶，实现所述污泥的重复利用。

在本发明一些可能的实现方式中，所述循环回路包括第二搅拌桶、循环管路以及依次设置在所述循环回路上的污水泵以及变频器，所述第二搅拌桶的开口正对所述沉积管路的出口端，用于接收流经所述沉积管路的污泥，并将所述污泥搅拌均匀；所述循环管路两端分别与所述第二搅拌桶和所述第一搅拌桶连通；所述变频器用于改变所述污水泵的频率，改变污水泵的转速，从而用于控制所述循环管路内污泥的流量，以保证所述第一搅拌桶中污泥的水位保持不变。

在本发明一些可能的实现方式中，所述实验装置还包括给料机，所述给料机的出口与所述第一搅拌桶连通，所述给料机的进口分别与所述循环管路和外部污泥存储罐连通，用于调节所述第一搅拌桶内污泥的浓度。

在本发明一些可能的实现方式中，所述实验装置包括三个观测器，所述沉积管路上开设与所述观测器一一对应的三个观测窗口，三个所述观测窗口沿所述沉积管路的延伸方向间隔设置。

另一方面，本发明还提供了一种实验装置的使用方法，适用于上述任意一项所述的实验装置，实验装置的使用方法包括：

通过所述调节单元调节所述沉积管路的倾斜角度，使所述倾斜角度满足第一预设实验条件；

将配置好的一定浓度的污泥加入所述第一搅拌桶，所述第一搅拌桶将所述污泥搅拌均匀；

搅拌均匀后的所述污泥流入至所述沉积管路，通过所述调节单元调节所述沉积管路内所述污泥的流速，以使所述污泥的流速满足第二预设实验条件；

所述至少一个观测器通过开设在所述沉积管路上的至少一个观测窗口，检测所述沉积管路内的污泥沉积高度；

通过所述调节单元分别调节所述沉积管路的倾斜角度和所述沉积管路内污泥的流速，检测当所述沉积管路的倾斜角度和所述沉积管路内污泥的流速污泥变化时，所述沉积管路内的污泥沉积高度，以模拟城市管网污泥沉降。

本发明通过设置调节单元调节流入至沉积管路内污泥的流速和沉积管路的倾斜角度，即可得到不同倾斜角度和不同流速的多种实验条件，使实验装置可以很便利的搭建出模拟不同地点的城市管网的真实情况的实验条件，进而降低了投入成本并提高模拟结果的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的实验装置的一个实施例结构示意图；

图2是本发明实施例提供的实验装置的使用方法的一个实施例流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。

本发明实施例提供一种实验装置及其使用方法，以下进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的实验装置的一个实施例结构示意图，如图1所示，

该实验装置10用于模拟城市管网污泥沉降，实验装置10包括第一搅拌桶100、沉积管路200、至少一个观测器300以及调节单元400；

第一搅拌桶100用于储存污泥，并将污泥搅拌均匀；

沉积管路200的进口端与第一搅拌桶100连通，搅拌均匀后的污泥流入至沉积管路200，并在沉积管路200内沉积；

沉积管路200开设有至少一个观测窗口201，至少一个观测器300架设于至少一个观测窗口201的正上方，用于检测沉积管路200内的污泥沉积高度；

调节单元400用于调节流入至沉积管路200内的污泥的流速和沉积管路200的倾斜角度，以模拟城市管网污泥沉降。

本发明实施例通过设置调节单元400调节流入至沉积管路200内污泥的流速和沉积管路200的倾斜角度，即可得到不同倾斜角度和不同流速的多种实验条件，减小投入成本，同时，通过调节倾斜角度和流速可以使实验装置10很便利的搭建出模拟不同地点的城市管网的真实情况的实验条件，进而提高模拟结果的可靠性。

其中，在本发明的一些实施例中，观测器300为超声波传感器。

具体地，在本发明的一些实施例中，如图1所示，调节单元400包括至少一个高度调节器410和调速阀420；

至少一个高度调节器410设置于沉积管路200的下方，用于调节沉积管路200的倾斜角度；

调速阀420设置于第一搅拌桶100和沉积管路200之间，用于调节流至沉积管路200内的污泥的流速。具体地，通过调节调速阀420的开度即可调节流至沉积管路200内污泥的流速。

具体地，在本发明的一些实施例中，调节单元400包括两个高度调节器410，间隔设置在沉积管路200的下方。通过设置两个高度调节器410，在实现对沉积管路200的倾斜角度调节的同时，还可保证沉积管路200的稳定性。

应当理解的是：至少一个高度调节器410可以通过螺旋旋钮调节高度的结构，在此不做赘述。

还应当理解的是：高度调节器410设置的个数应当根据沉积管路200的长度进行适当调整。沉积管路200的长度越长，高度调节器410设置的个数越多。

进一步地，如图1所示，在本发明的一些实施例中，实验装置10还包括工作台11，第一搅拌桶100、沉积管路200、至少一个观测器300以及调节单元400均设置在工作台11上。通过设置工作台11可实验装置10提供一水平面，便于实现对沉积管路200的倾斜角度的调整。

进一步地，为了更准确的调节沉积管路200内污泥的流速，在本发明得一些实施例中，如图1所示，实验装置10还包括测速仪(图中未示出)，沉积管路200开设一个测速窗口202，测速窗口202设置在至少一个观测窗口201靠近沉积管路200的进口端的一侧，测速仪通过测速窗口202测量沉积管路200内的污泥的流速。

具体地，测速仪为便捷式测速仪，型号为LGY-II LS300，可测的流速范围0.01m/s～4m/s。

进一步地，如图1所示，沉积管路200包括测量管路210和观测管路220，测量管路210与第一搅拌桶100连通，观测管路220设置在测量管路210远离搅拌桶100的一侧。且测速窗口202设置在测量管路210上，至少一个观测窗口201设置在观测管路220上。

通过上述设置，可提高测速仪测速的准确性和至少一个观测器300检测污泥沉积高度的准确性。

具体地，在本发明的一些实施例中，测量管路210的长度为1米，观测管路220的长度为5米。

进一步地，沉积管路200为外径为110mmPVC直管，观测窗口201和测速窗口202均为80mm*300mm的矩形窗口。

具体地，实验装置10包括三个观测器300，沉积管路200上开设与观测器300一一对应的三个观测窗口202，三个观测窗口202沿沉积管路200的延伸方向间隔设置。

应当理解的是：三个观测窗口202可等距间隔设置，也可不等距间隔设置，在本发明的一个实施例中，三个观测窗口201分别位于观测管路220的1米处、2.5米处以及4米处。

进一步地，如图1所示，在本发明的一些实施例中，为了根据实验结果对污泥沉降的影响因素和沉降速率进行研究，以探究在城市管网中的污泥沉降规律，实验装置10还包括工控机(图中未示出)，工控机分别与至少一个高度调节器410、测速仪和至少一个观测器300通讯连接，用于根据污泥沉降高度、沉积管路200的倾斜角度以及污泥的流速计算出在沉积管路200的倾斜角度不变的情况下，污泥沉沉积速率与污泥的流速和污泥沉降高度的关系。

通过上述设置，可探究污泥在城市管网中的沉降规律以及影响污泥在城市管网中沉降的因素，为缓解城市内涝灾害提供参考。

其中，当沉积管路200的倾斜角度为1度时，污泥沉积速率与流速和污泥沉降高度之间的关系为：

其中，

为污泥沉积速率，y为污泥沉降高度，D为沉积管路200的直径，u为污泥的流速，u_mf为污泥颗粒的沉降速度，x为污泥沉积位置与沉积管路200的进口端之间的距离。

进一步地，在本发明的一些实施例中，为了实现污泥的循环利用，如图1所示，实验装置10还包括循环回路500，循环回路500的两端分别与沉积管路200的出口端以及第一搅拌桶100连通，用于将流经沉积管路200的污泥重新输入至第一搅拌桶100，实现污泥的重复利用。

具体地，循环回路500包括第二搅拌桶510、循环管路520以及依次设置在循环管路520上的污水泵530以及变频器540，第二搅拌桶510的开口正对沉积管路200的出口端，用于接收流经沉积管路200的污泥，并将污泥搅拌均匀；循环管路520两端分别与第二搅拌桶510和第一搅拌桶100连通；变频器540用于改变所述污水泵530的频率，改变污水泵530的转速，从而控制循环管路520内污泥的流量，以保证第一搅拌桶100中污泥的水位保持不变。

通过设置变频器540保证第一搅拌桶100中污泥的水位保持不变，实现在整个污泥循环过程中，当调速阀420的开度不变时，流入沉积管路200中的污泥的流速不变。

其中，污水泵530的功率为1500kw，循环管路520是外径为50mm的圆管。

进一步地，为了避免当污泥在沉积管路200中沉降后，循环流回至第一搅拌桶100中的污泥的浓度降低，影响后续实验，在本发明的一些实施例中，如图1所示，实验装置10还包括给料机600，给料机600的出口与第一搅拌桶100连通，给料机100的进口分别与循环管路520和外部污泥存储罐(图中未示出)连通，用于调节第一搅拌桶100内污泥的浓度。

具体地，外部污泥存储罐中储存由浓度较高的污泥，当循环管路520中的污泥浓度小于预设污泥浓度时，通过将外部污泥存储罐中的浓度较高的污泥添加至第一搅拌桶100中，提高第一搅拌桶100中的污泥浓度，使第一搅拌桶100中的污泥浓度保持恒定，始终为预设污泥浓度，避免对模拟结果造成影响，进一步提高实验装置10实验结果的可靠性。

另一方面，本发明实施例还提供了一种实验装置的使用方法，适用于上述任一实施例中所述的实验装置10，如图2所示，该实验装置10的使用方法包括：

S201、通过调节单元400调节沉积管路200的倾斜角度，使倾斜角度满足第一预设实验条件；

应当理解的是，第一预设实验条件可以是一个实验条件，也可以是多个实验条件，在本发明的一些实施例中，第一预设实验条件指的是沉积管路200的倾斜角度为1°。

当然，在本发明的一些其他实施例中，沉积管路200的倾斜角度也可以为1.5°或2°。

S202、将配置好的一定浓度的污泥加入第一搅拌桶100，第一搅拌桶100将污泥搅拌均匀；

S203、搅拌均匀后的污泥流入至沉积管路200，通过调节单元400调节沉积管路200内污泥的流速，以使污泥的流速满足第二预设实验条件；

应当理解的是，第二预设实验条件可以是一个实验条件，也可以是多个实验条件，在本发明的一些实施例中，第二预设实验条件包括三个实验条件，分别是污泥的流速为0.4m/s、0.6m/s和0.8m/s。

S204、至少一个观测器300通过开设在沉积管路200上的至少一个观测窗口201，检测沉积管路200内的污泥沉积高度；

具体地，每个一个小时观测器300检测一次沉积管路200内的污泥沉积高度，并进行记录。

S205、通过调节单元400分别调节沉积管路200的倾斜角度和沉积管路200内污泥的流速，检测当沉积管路200的倾斜角度和沉积管路200内污泥的流速污泥变化时，沉积管路200内的污泥沉积高度，以模拟城市管网污泥沉降。

进一步地，为了实现污泥的循环利用，在步骤S203之前还包括设置循环回路500，并将循环回路500的两端分别与沉积管路200的出口端以及第一搅拌桶100连通，用于将流经沉积管路200的污泥重新输入至第一搅拌桶100，实现污泥的重复利用。

进一步地，为了避免当污泥在沉积管路200中沉降后，循环流回至第一搅拌桶100中的污泥的浓度降低，影响后续实验，在本发明的一些实施例中，实验装置10还包括给料机600，则在步骤S204之前还可包括：检测第一搅拌桶100中污泥的浓度，当污泥的浓度小于预设污泥浓度时，开启给料机600，通过给料机600调节第一搅拌桶100中污泥的浓度，使其浓度等于预设污泥浓度。

本发明实施例通过设置高度调节器410和调速阀420分别对应调节沉积管路200的倾斜角度和流入至沉积管路200内污泥的流速，构建不同倾斜角度和不同流速的多种实验条件，使实验装置10可以很便利的搭建出模拟不同地点的城市管网的真实情况的实验条件，进而提高模拟结果的可靠性。并且，通过设置循环回路500，实现污泥的重复利用，通过设置给料机600保证第一搅拌桶100中污泥的浓度，进而提高实验装置100模拟结果的可靠性。进一步地，通过设置工控机根据污泥沉降高度、沉积管路200的倾斜角度以及污泥的流速计算出在沉积管路200的倾斜角度不变的情况下，污泥沉沉积速率与污泥的流速和污泥沉降高度的关系，可探究污泥在城市管网中的沉降规律以及影响污泥在城市管网中沉降的因素，为缓解城市内涝灾害提供参考。

以上对本发明实施例所提供的一种实验装置及其使用方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种实验装置，其特征在于，用于模拟城市管网污泥沉降，所述实验装置包括第一搅拌桶、沉积管路、至少一个观测器以及调节单元；

所述第一搅拌桶用于储存污泥，并将所述污泥搅拌均匀；

所述沉积管路的进口端与所述第一搅拌桶连通，搅拌均匀后的所述污泥流入至所述沉积管路，并在所述沉积管路内沉积；

所述沉积管路开设有至少一个观测窗口，所述至少一个观测器架设于所述至少一个观测窗口的正上方，用于检测所述沉积管路内的污泥沉积高度；

所述调节单元用于调节流入至所述沉积管路内的污泥的流速和所述沉积管路的倾斜角度，以模拟城市管网污泥沉降。

2.根据权利要求1所述实验装置，其特征在于，所述调节单元包括至少一个高度调节器和调速阀；

所述至少一个高度调节器设置于所述沉积管路的下方，用于调节所述沉积管路的倾斜角度；

所述调速阀设置于所述第一搅拌桶和所述沉积管路之间，用于调节流至所述沉积管路内的污泥的流速。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括测速仪，所述沉积管路开设一个测速窗口，所述测速窗口设置在所述至少一个观测窗口靠近所述沉积管路的进口端的一侧，所述测速仪通过所述测速窗口测量所述沉积管路内的污泥的流速。

4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括工控机，所述工控机分别与所述至少一个高度调节器、所述测速仪和所述至少一个观测器通讯连接，用于根据所述污泥沉降高度、所述沉积管路的倾斜角度以及所述污泥的流速计算出在所述沉积管路的倾斜角度不变的情况下，所述污泥沉沉积速率与所述污泥的流速和所述污泥沉降高度的关系。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，当所述沉积管路的倾斜角度为1度时，所述污泥沉积速率与所述流速和所述污泥沉降高度之间的关系为：

其中，

为污泥沉积速率，y为所述污泥沉降高度，D为所述沉积管路的直径，u为污泥的流速，u_mf为污泥颗粒的沉降速度，x为污泥沉积位置与沉积管路的进口端之间的距离。

6.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括循环回路，所述循环回路的两端分别与所述沉积管路的出口端以及所述第一搅拌桶连通，用于将流经所述沉积管路的污泥重新输入至所述第一搅拌桶，实现所述污泥的重复利用。

7.根据权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述循环回路包括第二搅拌桶、循环管路以及依次设置在所述循环回路上的污水泵以及变频器，所述第二搅拌桶的开口正对所述沉积管路的出口端，用于接收流经所述沉积管路的污泥，并将所述污泥搅拌均匀；所述循环管路两端分别与所述第二搅拌桶和所述第一搅拌桶连通；所述变频器用于改变所述污水泵的频率，改变污水泵的转速，从而控制循环管路内污泥的流量，以保证所述第一搅拌桶中污泥的水位保持不变。

8.根据权利要求7所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括给料机，所述给料机的出口与所述第一搅拌桶连通，所述给料机的进口分别与所述循环管路和外部污泥存储罐连通，用于调节所述第一搅拌桶内污泥的浓度。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括三个观测器，所述沉积管路上开设与所述观测器一一对应的三个观测窗口，三个所述观测窗口沿所述沉积管路的延伸方向间隔设置。

10.一种实验装置的使用方法，适用于权利要求1-9任意一项所述的实验装置，其特征在于，包括：

通过所述调节单元调节所述沉积管路的倾斜角度，使所述倾斜角度满足第一预设实验条件；

将配置好的一定浓度的污泥加入所述第一搅拌桶，所述第一搅拌桶将所述污泥搅拌均匀；

搅拌均匀后的所述污泥流入至所述沉积管路，通过所述调节单元调节所述沉积管路内所述污泥的流速，以使所述污泥的流速满足第二预设实验条件；

所述至少一个观测器通过开设在所述沉积管路上的至少一个观测窗口，检测所述沉积管路内的污泥沉积高度；

通过所述调节单元分别调节所述沉积管路的倾斜角度和所述沉积管路内污泥的流速，检测当所述沉积管路的倾斜角度和所述沉积管路内污泥的流速污泥变化时，所述沉积管路内的污泥沉积高度，以模拟城市管网污泥沉降。

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