CN113791004A - 一种环保疏浚气幕帘试验方法、试验装置及试验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环保疏浚气幕帘试验方法、实验装置和试验系统，相比于现有简易的几何缩模来说，以几何尺寸、水密度、供气量、压力、张力以及流量等各个影响气幕帘作用机制的因素出发，严格制定符合气水相互作用的比尺，根据比尺配置与原型现场高度一致的模型，提供了与原型现场高度近似的在负压状态下的试验环境，以该高度一致的模型进行试验得到的试验结果与原型现场施工结果相似性极高，能够准确揭示原型气幕帘在负压状态下的作用机制，进而为运用试验确定防细颗粒泥沙扩散的最优供气量、最佳水压值等方案提供操作基础。

Description

一种环保疏浚气幕帘试验方法、试验装置及试验系统
技术领域
本发明涉及环保疏浚技术领域，尤其涉及一种环保疏浚气幕帘试验方法、试验装置及试验系统。
背景技术
疏浚过程会引起细颗粒泥沙的悬浮和扩散。为防止这种扩散，一种简单的措施是在疏浚施工区域外布设防污帘。若船舶进出疏浚施工区域，需要频繁移动防污帘，造成防扩散效果受限。而气幕帘既能满足细颗粒泥沙扩散的环保标准，又能满足通航要求的防扩散技术。
气幕帘是底床上开孔软管产生的气泡带动水体而形成的向上羽流。该羽流在水面附近又形成水平回流，在水平回流的作用下，浑水回到浑水区域，从而将悬浮的疏浚底泥限制在疏浚区域内。目前，气幕帘技术在疏浚领域的应用还不纯熟，而基于气幕帘技术的防细颗粒泥沙扩散模型研究则更少，现有常压环境下气幕帘模型试验装置不能准确揭示原型气幕帘作用的机制，关于更加准确的负压环境下的气幕帘模型试验装置更是未见介绍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种作用机制相似性高、有效模拟作用原型和试验结果准确度高的环保疏浚气幕帘试验方法，以及用于实现该试验方法的结构简单、使用调节方便和还原度高的环保疏浚气幕帘试验装置和试验系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种环保疏浚气幕帘试验方法，包括以下步骤：
S1：获取原型现场数据：获取原型现场水深，获取原型现场供气量，获取原型现场浑水移动速度；
S2：选取第一模型比尺：选取模型几何比尺RL，选取模型水密度比尺Rρ；
S3：确定第二模型比尺：根据选取的第一模型比尺得到模型压力比尺、模型供气量比尺、模型水表面张力系数比尺、模型浑水流量比尺以及模型清水流量比尺；
S4：根据第一模型比尺和原型现场数据构建模型，根据第二模型比尺和原型现场数据配置模型清水、浑水、供气量以及模型内压力；
S5：启动模型完成环保疏浚气幕帘试验。
作为上述试验方法的进一步改进：
所述模型压力比尺Rp基于模型几何比尺RL和模型水密度比尺Rρ通过Rp＝RρRL得到。
所述模型供气量比尺
Figure BDA0003189456130000021
基于模型几何比尺RL通过
Figure BDA0003189456130000022
得到。
所述模型水表面张力系数比尺Rσ基于模型几何比尺RL和模型水密度比尺Rρ通过
Figure BDA0003189456130000023
得到。
所述模型清水流量比尺
Figure BDA0003189456130000027
基于模型几何比尺RL通过
Figure BDA0003189456130000024
得到。
所述模型浑水流量比尺
Figure BDA0003189456130000025
基于模型几何比尺RL通过
Figure BDA0003189456130000026
得到。
一种环保疏浚气幕帘试验装置，用于实现上述环保疏浚气幕帘试验方法，包括模拟原型现场的封闭水槽、容置浑水的浑水箱、容置清水的清水箱、封闭水箱以及空气压缩机；所述空气压缩机连接有一用于模拟气幕帘发生装置的开孔管道，所述开孔管道设置于封闭水槽的底面上，空气压缩机出口处设有第一阀门和气体流量计；所述浑水箱和清水箱均与封闭水槽连通，所述浑水箱和清水箱中与封闭水槽连接位置处均设置有第二阀门和液体流量计；所述封闭水箱上设有抽气机和真空计，封闭水箱顶部与封闭水槽顶部连通，中部设有与封闭水槽中部连通的溢流管。
一种环保疏浚气幕帘试验系统，用于通过环保疏浚气幕帘试验装置进行试验，包括用于获取原型现场数据的数据获取模块、根据设定的第一模型比尺得到第二模型比尺的比尺确定模块以及用于调节试验变量的控制模块。
作为上述试验系统的进一步改进：
所述数据获取模块和比尺确定模块分别将获取的原型现场数据和第二模型比尺发送至控制模块，所述真空计、浑水箱和清水箱上的液体流量计、空气压缩机上的气体流量计将测定的信息发送至控制模块；
所述控制模块根据原型现场数据、液体流量计测定信息、模型浑水流量比尺以及模型清水流量比尺控制浑水箱和清水箱上的第二阀门的开度；
所述控制模块根据原型现场数据、真空计测定信息和模型压力比尺控制抽气机的输出功率；
所述控制模块根据原型现场数据、气体流量计测定信息和模型供气量比尺控制空气压缩机的输出功率。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的环保疏浚气幕帘试验方法，相比于现有简易的几何缩模来说，以几何尺寸、水密度、供气量、压力、张力以及流量等各个影响气幕帘作用机制的因素出发，严格制定符合气水相互作用的比尺，根据比尺配置与原型现场高度一致的模型，提供了与原型现场高度近似的在负压状态下的试验环境，以该高度一致的模型进行试验得到的试验结果与原型现场施工结果相似性极高，能够准确揭示原型气幕帘在负压状态下的作用机制，进而为运用试验确定防细颗粒泥沙扩散的最优供气量、最佳水压值等方案提供操作基础。
本发明的用于实现上述试验方法的试验装置，同样具备上述优点，同时通过简单的结构、方便的布置、以及简易的调节方式便能够实现高近似度的还原原型现场。本发明的试验系统同样具备上述优点，同时根据设定的比尺以及待还原的原型现场数据，可以自动化把控模型的调试调节，保证模型始终与原型现场一致。
附图说明
图1是本发明试验装置的结构示意图。
图例说明：1、封闭水槽；2、浑水箱；3、清水箱；4、封闭水箱；41、抽气机；42、真空计；43、溢流管；5、空气压缩机；51、开孔管道。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
实施例：
本实施例的环保疏浚气幕帘试验方法，相比于现有简易的几何缩模来说，以几何尺寸、水密度、供气量、压力、张力以及流量等各个影响气幕帘作用机制的因素出发，严格制定符合气水相互作用的比尺，根据比尺配置与原型现场高度一致的模型，提供了与原型现场高度近似的在负压状态下的试验环境，以该高度一致的模型进行试验得到的试验结果与原型现场施工结果相似性极高，能够准确揭示原型气幕帘在负压状态下的作用机制，进而为运用试验确定防细颗粒泥沙扩散的最优供气量、最佳水压值等方案提供操作基础。
试验方法具体包括以下步骤：
S1：获取原型现场数据：获取原型现场水深，获取原型现场供气量，获取原型现场浑水移动速度；
S2：选取第一模型比尺：选取模型几何比尺RL，选取模型水密度比尺Rρ；
S3：确定第二模型比尺：根据选取的第一模型比尺得到模型压力比尺、模型供气量比尺、模型水表面张力系数比尺、模型浑水流量比尺以及模型清水流量比尺；
S4：根据第一模型比尺和原型现场数据构建模型，根据第二模型比尺和原型现场数据配置模型清水、浑水、供气量以及模型内压力；
S5：启动模型，当气幕羽流稳定时，开始测试并完成环保疏浚气幕帘试验。
(一)更具体地，根据气幕羽流相似构建模型，得到模型压力比尺Rp、模型供气量比尺
Figure BDA0003189456130000041
以及模型水表面张力系数比尺Rσ：
假设气泡的内部压力为：
p＝pat+ρgh+pst (1)
其中，g为重力加速度，h为气泡所处位置水深，ρ为液体密度，pat为水面大气压力，pst为气泡表面张力系数产生的压力，且由于：
Figure BDA0003189456130000042
其中，σ为表面张力系数，Rg为气泡的半径。
因此，可以得到：
Figure BDA0003189456130000043
对于一般的气泡羽流而言，
Figure BDA0003189456130000044
是一影响较小的量，可以忽略。
考虑气泡满足下列状态方程：
pVn＝常数(4)
式中，V为气泡体积，n为气泡膨胀指数。
根据式(3)和式(4)，可以得到：
Figure BDA0003189456130000045
式中，Vz为气泡在水深z位置的体积。
同样的：
Figure BDA0003189456130000046
式中，Vh为气泡在气源位置h的体积。
根据式(5)和式(6)，得到：
Figure BDA0003189456130000047
根据模型与原型的相似要求，有：
Figure BDA0003189456130000048
Figure BDA0003189456130000051
式中，下标m和p分别表示模型和原型。
根据式(7)与式(9)，有：
Figure BDA0003189456130000052
即
Figure BDA0003189456130000053
从式(8)和式(11)，推出：
Figure BDA0003189456130000054
即
Figure BDA0003189456130000055
假设在水深z位置的气泡半径的表达式为：
rz＝f(Q0，h，ρ，z，μ，g，σ，pat) (14)
式中，Q0为气源处气量，μ为水的粘性。
气泡羽流垂向速度为：
w＝F(Q0，h，ρ，z，μ，g，σ，pat，r) (15)
式中，r为气泡所处位置到气泡羽流中心的距离。
将式(14)和式(15)写成无量纲形式：
Figure BDA0003189456130000056
Figure BDA0003189456130000057
式(16)和式(17)中，
Figure BDA0003189456130000058
表示气泡羽流雷诺数，鉴于气泡羽流是高度紊乱的流动，雷诺数的变化对流态影响较小，可忽略。
因此，根据式(16)和(17)，模型与原型应满足：
Figure BDA0003189456130000061
Figure BDA0003189456130000062
由式(12)、式(18)和式(19)，可得：
Figure BDA0003189456130000063
Figure BDA0003189456130000064
Figure BDA0003189456130000065
因此，本实施例中，模型压力比尺Rp基于模型几何比尺RL和模型水密度比尺Rρ通过Rp＝RρRL得到。模型供气量比尺
Figure BDA0003189456130000066
基于模型几何比尺RL通过
Figure BDA0003189456130000067
得到。模型水表面张力系数比尺Rσ基于模型几何比尺RL和模型水密度比尺Rρ通过
Figure BDA0003189456130000068
得到。
(二)更具体地，根据清浑水流量相似构建模型，得到模型清水流量比尺
Figure BDA0003189456130000069
和模型浑水流量比尺
Figure BDA00031894561300000613
清水运动应满足弗汝德数相似，即：
Figure BDA00031894561300000610
Figure BDA00031894561300000611
其中，Qc表示清水流量；vc为清水断面平均流速，S表示断面面积，下标m和p分别表示模型与原型。
因此本实施例中，模型清水流量比尺
Figure BDA00031894561300000614
基于模型几何比尺RL通过
Figure BDA00031894561300000612
得到。
令s为模型封闭水槽1内挟沙量，s0为模型浑水箱2含沙量，Qt为浑水流量，ω为泥沙沉速，Δγs-m为泥沙颗粒在浑水中容重，Δγm-0浑水与清水容重差，有：
Figure BDA0003189456130000071
将上式写成无量纲形式：
Figure BDA0003189456130000072
考虑试验采用原水沙，故：
Figure BDA0003189456130000073
Figure BDA0003189456130000074
Figure BDA0003189456130000075
由式(27)和式(28)可得：
Figure BDA0003189456130000076
推导出：
Figure BDA0003189456130000077
因此本实施例中，模型浑水流量比尺
Figure BDA0003189456130000078
基于模型几何比尺RL通过
Figure BDA0003189456130000079
得到。
本实施例的环保疏浚气幕帘试验装置，如图1所示，用于实现上述环保疏浚气幕帘试验方法，包括模拟原型现场的封闭水槽1、容置浑水的浑水箱2、容置清水的清水箱3、封闭水箱4以及空气压缩机5；空气压缩机5连接有一用于模拟气幕帘发生装置的开孔管道51，开孔管道51设置于封闭水槽1的底面上，空气压缩机5通过开孔管道51排气形成模拟气幕帘的气幕。
空气压缩机5出口处设有第一阀门和气体流量计；气体流量计可以测定空气压缩机5的供气量，第一阀门可以调节供气量。
浑水箱2和清水箱3均与封闭水槽1连通，浑水箱2和清水箱3中与封闭水槽1连接位置处均设置有第二阀门和液体流量计；液体流量计可以测定清水和浑水的流量，第二阀门用于调节清水和浑水流量。
封闭水箱4上设有抽气机41和真空计42，封闭水箱4顶部与封闭水槽1顶部连通，中部设有与封闭水槽1中部连通的溢流管43。两个连通位置可以保证封闭水箱4和封闭水槽1的压力相同，真空计42可以测定压力，抽气机41用于调节负压。
本实施例的环保疏浚气幕帘试验系统，用于通过环保疏浚气幕帘试验装置进行试验，包括用于获取原型现场数据的数据获取模块、根据设定的第一模型比尺得到第二模型比尺的比尺确定模块以及用于调节试验变量的控制模块。
本实施例中，数据获取模块和比尺确定模块分别将获取的原型现场数据和第二模型比尺发送至控制模块，真空计42、浑水箱2和清水箱3上的液体流量计、空气压缩机5上的气体流量计将测定的信息发送至控制模块；
控制模块根据原型现场数据、液体流量计测定信息、模型浑水流量比尺以及模型清水流量比尺控制浑水箱2和清水箱3上的第二阀门的开度，根据需要测定的流速调节模型的清水浑水流速，保证清水、浑水流量与原型现场数据之间的关系满足模型清水流量比尺以及模型浑水流量比尺。
控制模块根据原型现场数据、真空计42测定信息和模型压力比尺控制抽气机41的输出功率，根据待测试负压调节模型负压，确保模型压力与原型现场数据之间的关系满足模型压力比尺。
控制模块根据原型现场数据、气体流量计测定信息和模型供气量比尺控制空气压缩机5的输出功率，根据待测定供气量调节模型供气量，确保模型供气量和原型现场数据之间的关系满足模型供气量比尺。
除此之外，本实施例的环保疏浚气幕帘试验系统通过人工或机械添加表面活性剂以调节水体的表面张力系数，使试验装置内的水体表面张力系数和原型现场数据之间的关系满足模型水表面张力系数比尺。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种环保疏浚气幕帘试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取原型现场数据：获取原型现场水深，获取原型现场供气量，获取原型现场浑水移动速度；
S2：选取第一模型比尺：选取模型几何比尺RL，选取模型水密度比尺Rρ；
S3：确定第二模型比尺：根据选取的第一模型比尺得到模型压力比尺、模型供气量比尺、模型水表面张力系数比尺、模型浑水流量比尺以及模型清水流量比尺；
S4：根据第一模型比尺和原型现场数据构建模型，根据第二模型比尺和原型现场数据配置模型清水、浑水、供气量以及模型内压力；
S5：启动模型完成环保疏浚气幕帘试验。
2.根据权利要求1所述的环保疏浚气幕帘试验方法，其特征在于：所述模型压力比尺Rp基于模型几何比尺RL和模型水密度比尺Rρ通过Rp＝RρRL得到。
3.根据权利要求1所述的环保疏浚气幕帘试验方法，其特征在于：所述模型供气量比尺
Figure FDA0003189456120000011
基于模型几何比尺RL通过
Figure FDA0003189456120000012
得到。
4.根据权利要求1所述的环保疏浚气幕帘试验方法，其特征在于：所述模型水表面张力系数比尺Rσ基于模型几何比尺RL和模型水密度比尺Rρ通过
Figure FDA0003189456120000013
得到。
5.根据权利要求1所述的环保疏浚气幕帘试验方法，其特征在于：所述模型清水流量比尺
Figure FDA0003189456120000014
基于模型几何比尺RL通过
Figure FDA0003189456120000015
得到。
6.根据权利要求1所述的环保疏浚气幕帘试验方法，其特征在于：所述模型浑水流量比尺
Figure FDA0003189456120000016
基于模型几何比尺RL通过
Figure FDA0003189456120000017
得到。
7.一种环保疏浚气幕帘试验装置，用于实现权利要求1至6中任一项所述的环保疏浚气幕帘试验方法，其特征在于：包括模拟原型现场的封闭水槽(1)、容置浑水的浑水箱(2)、容置清水的清水箱(3)、封闭水箱(4)以及空气压缩机(5)；所述空气压缩机(5)连接有一用于模拟气幕帘发生装置的开孔管道(51)，所述开孔管道(51)设置于封闭水槽(1)的底面上，空气压缩机(5)出口处设有第一阀门和气体流量计；所述浑水箱(2)和清水箱(3)均与封闭水槽(1)连通，所述浑水箱(2)和清水箱(3)中与封闭水槽(1)连接位置处均设置有第二阀门和液体流量计；所述封闭水箱(4)上设有抽气机(41)和真空计(42)，封闭水箱(4)顶部与封闭水槽(1)顶部连通，中部设有与封闭水槽(1)中部连通的溢流管(43)。
8.一种环保疏浚气幕帘试验系统，用于通过权利要求7所述的环保疏浚气幕帘试验装置进行试验，其特征在于：包括用于获取原型现场数据的数据获取模块、根据设定的第一模型比尺得到第二模型比尺的比尺确定模块以及用于调节试验变量的控制模块。
9.根据权利要求8所述的环保疏浚气幕帘试验系统，其特征在于：所述数据获取模块和比尺确定模块分别将获取的原型现场数据和第二模型比尺发送至控制模块，所述真空计(42)、浑水箱(2)和清水箱(3)上的液体流量计、空气压缩机(5)上的气体流量计将测定的信息发送至控制模块；
所述控制模块根据原型现场数据、液体流量计测定信息、模型浑水流量比尺以及模型清水流量比尺控制浑水箱(2)和清水箱(3)上的第二阀门的开度；
所述控制模块根据原型现场数据、真空计(42)测定信息和模型压力比尺控制抽气机(41)的输出功率；
所述控制模块根据原型现场数据、气体流量计测定信息和模型供气量比尺控制空气压缩机(5)的输出功率。
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