CN115144310A - 一种旋桨式絮凝沉降试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋桨式絮凝沉降试验装置及方法，其包括钢架基台，钢架基台的上方设置有水箱，水箱的上方设置有电机，电机的旋转轴上设置有向水箱底部延伸的连接轴，连接轴的端部设置有可拆卸的旋桨，水箱的侧面设置有若干第一水龙头，若干第一水龙头在水箱上竖向排列，第一水龙头与排水管连接；钢支架的上端设置有控制器。试验方法包括步骤S1‑S13。本发明可控制旋桨转速来改变得到不同的紊动切应率，进而分析其对泥沙絮凝的影响。本发明的试验方法确保能精确的模拟出真实环境下泥沙的沉降过程，分析沉降时泥沙之间的相互作用力和破坏性，分析水流对泥沙真实沉降的影响状态，方便根据计算出的力学参数和分析过程为水库沉积泥沙的防治提供有效意见。
Description
技术领域
本发明涉及泥沙沉降研究技术领域，具体涉及一种旋桨式絮凝沉降试验装置及方法。
背景技术
水库是调节水流作用的重要建筑物，在灌溉、防洪、发电等多方面起到了积极作用。但随着水库运行年限的增加，由于水坝的拦截作用，加之水势趋缓及库尾回水的影响，大型水库的泥沙淤积问题日益凸显。经学者们研究发现大型水库中会产生大量泥沙淤积，其中有很大一部分是细颗粒泥沙，而细颗粒泥沙在库内的大量淤积被发现存在絮凝沉降。这些由细颗粒泥沙所形成的浮泥层是存在于水库底部的一层高含沙水体，流动性较强，直接影响水库淤积形态和水库排沙。水库浮泥层可在库底保持较长时间厚度不变，不仅影响当次洪水异重流输沙，对后续异重流输沙亦有明显影响。如果任由这一现象继续发展下去，将会对水库的运行造成困难，不仅会影响水库的使用寿命，更会发生碍航、防洪等严重问题。为了保证大型河流水库群精细化调度有序推进，实现水库群减淤优化调度，发挥水库综合效益的首要问题需要准确掌握水沙运动规律，明确大型水库絮凝浮泥层的生成条件。为实现这一目标，需要有效的仪器对紊流水体中的泥沙絮凝沉降进行观察分析，因此进行了一种旋桨式絮凝沉降试验装置及试验方法的相应研发。
目前针对细颗粒泥沙絮凝沉降的观测方法主要有两大类：1.室内试验；2.现场观测。这里主要介绍室内试验，室内试验主要使用的的实验装置有4种类型：①定坡折返式实验水槽：通过调整底坡使水槽内形成均匀流，在水槽直段内选取了6个断面进行观察和含沙量测定；这一装置稳定性较好，能够观测絮凝现象的沿程变化，但细颗粒泥沙的沉降速度小，要达到絮凝的平衡状态所需时间长，而且受场地影响较大。②振动格栅装置：试验过程中电机带动格栅做上下或水平振动，通过调整电机转速在筒内形成近似各向同性均匀紊流，通过取样对泥沙粒度分析和絮团含沙量进行测量，其不足之处在于格栅运动过程中可能对已形成的絮团造成非水流因素的破坏，对试验结果产生影响。③环形水槽：这一装置将直槽的纵向长度转换为时间尺度，通过延长试验时间的手段达到絮团稳定沉降的目的；其优点在于打破了试验场地的限制，但其调试相对复杂，取样困难，对测量仪器有较高要求。④第四种是TC流(Talyor-Couette)装置：这类装置通过调节内筒转速带动水流运动，设置电机的不同转速使得筒间水流形成不同流态，在絮凝平衡后通过取样研究絮团特性。这一装置能够研究动水条件下多种因素对絮凝的综合作用，但难以保证泥沙颗粒初始的均匀状态，同时也存在取样的破坏性问题。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种能从动态和静态多方向研究试验的旋桨式絮凝沉降试验装置及方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种旋桨式絮凝沉降试验装置，其包括钢架基台，钢架基台的上方设置有水箱，水箱的上方设置有电机，电机的旋转轴上设置有向水箱底部延伸的连接轴，连接轴的端部设置有可拆卸的旋桨，电机安装在钢支架的上端，钢支架罩在水箱外，水箱的侧面设置有若干第一水龙头，若干第一水龙头在水箱上竖向排列，第一水龙头与排水管连接；钢支架的上端设置有控制器，控制器上设置有调速旋钮和电闸，钢架基台上端的侧面设置有可折叠的平台，平台的端部设置有向下延伸的支柱，平台的上方放置拍摄水箱的运动相机。
进一步地，钢支架的上端设置有两根平行的槽钢，电机通过螺栓安装在两根槽钢上。
进一步地，水箱的底部设置有排水口，排水口上设置有第二水龙头，第二水龙头与排水管连接。
进一步地，旋桨的上端与连接轴通过螺纹连接。
提供一种采用上述旋桨式絮凝沉降试验装置对深水中细颗粒泥沙絮凝沉降的试验方法，其包括以下步骤：
S1：建立紊动切应率G与旋桨的关系模型：
其中，bd,p为阻力系数，Ap为旋桨的桨叶面积，Rp为旋桨的半径，S为电机为旋桨提供的转动速度，νw为桨叶与水中细颗粒泥沙的运动粘度，VT为水箱内流体总体积，a为影响系数；
S2：根据试验所需的紊动切应率G、电机的转动速度S，选取对应型号的旋桨，并将旋桨安装在连接轴上；
S3：准备试验所需的细颗粒泥沙材料，确保细颗粒泥沙的颗粒均匀，将细颗粒泥沙材料加入水箱中，再向水箱中加入设定高度的水；
S4：打开电闸，通过调速旋钮设置旋桨的转动速度，当旋桨达到设定的速度旋转并保持一段时间后，关闭电闸，旋桨停止转动；
S5：细颗粒泥沙在搅拌后进行沉降，运动相机记录细颗粒泥沙沉降的影像，提取影像中细颗粒泥沙达到最高点时的祯图像，以水箱的边界作为界限，将祯图像裁成只包含水箱内部的方形图像；
S6：建立直角坐标系，将方形图像放入坐标系中，且直角坐标系的x轴和y轴与方形图像的直角边对齐；
S7：在方形图像中标记出所有包含细颗粒泥沙的像素，并得到每个像素的坐标(x，y)，筛选出距离x轴垂直距离最远的像素的坐标(x，ymax)，将ymax值作为细颗粒泥沙在沉降过程中的沉降距离；
S8：利用ymax值计算沉降过程中做的凝聚功W：W＝(G'-F浮)×ymax，其中G'为细颗粒泥沙的重力，F浮为细颗粒泥沙在水中的浮力；
S9：提取细颗粒泥沙沉降完成后的沉降图像，测量沉降图像中沉降部分的高度h'，利用高度h'计算形成的沉降层的体积V：V＝h'·S，S为水箱的底面积；
S10：计算沉降后细颗粒泥沙之间的接触半径：
M为细颗粒泥沙的总质量，m为单个细颗粒泥沙的质量，单个细颗粒泥沙在沉降层中所占的体积即为接触半径；
S11：利用凝聚功W计算细颗粒泥沙之间的凝聚力F凝：
F凝＝W Rminπh
其中，h为影响因子，取常数；
S12：计算细颗粒泥沙之间的作用力F作用：
S13：利用凝聚力F凝和作用力F作用力计算细颗粒泥沙在沉降过程中形成的吸引力F吸引：
其中，A为吸引常数，取常数；R为细颗粒泥沙中泥沙颗粒的半径。
本发明的有益效果为：本发明的试样装置采用的是可拆卸的旋桨和可调节电机，可以通过替换不同尺寸的旋桨，控制旋桨转速来改变得到不同的紊动切应率，进而分析其对泥沙絮凝的影响。整个试验装置可拆卸组装，受场地限制小且成本较低。通过水箱底部的第二水龙头的排放可直接得到絮凝后的泥沙样本，减少了对其结构的破坏。
本发明的试验方法通过建立紊动切应率G与旋桨的关系模型，针对试验的紊动切应率需求来选择不同的旋桨，方便精准的控制紊动切应率，达到进行不同条件的试验目的。同时，在试验过程中，通过运动相机记录在动态环境下泥沙的沉降过程，并且沉降结束后，利用记录的动态影像以及沉降完成后的静态过程，对泥沙的沉降过程进行综合分析和力学参数的计算，确保能精确的模拟出真实环境下泥沙的沉降过程，分析沉降时泥沙之间的相互作用力和破坏性，分析水流对泥沙真实沉降的影响状态，方便根据计算出的力学参数和分析过程为水库沉积泥沙的防治提供有效意见。
附图说明
图1为旋桨式絮凝沉降试验装置的主视图。
图2为旋桨式絮凝沉降试验装置的侧视图。
图3为旋桨式絮凝沉降试验装置的俯视图。
其中，1、电机；2、控制器；3、水箱；4、钢支架；5、连接轴；6、旋桨；7、平台；8、第二水龙头；9、第一水龙头；10、槽钢；11、支柱；12、电闸；13、钢架基台；14、调速旋钮。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1至图3所示，本方案的旋桨6式絮凝沉降试验装置包括钢架基台13，钢架基台13的上方设置有水箱3，水箱3的上方设置有电机1，电机1的旋转轴上设置有向水箱3底部延伸的连接轴5，连接轴5的端部设置有可拆卸的旋桨6，电机1安装在钢支架4的上端，钢支架4罩在水箱3外，水箱3的侧面设置有若干第一水龙头9，若干第一水龙头9在水箱3上竖向排列，第一水龙头9与排水管连接；钢支架4的上端设置有控制器2，控制器2上设置有调速旋钮14和电闸12，钢架基台13上端的侧面设置有可折叠的平台7，平台7的端部设置有向下延伸的支柱11，平台7的上方放置拍摄水箱3的运动相机。
本实施例中，钢支架4的上端设置有两根平行的槽钢10，电机1通过螺栓安装在两根槽钢10上；水箱3的底部设置有排水口，排水口上设置有第二水龙头8，第二水龙头8与排水管连接；旋桨6的上端与连接轴5通过螺纹连接。
本发明的试样装置采用的是可拆卸的旋桨6和可调节电机1，可以通过替换不同尺寸的旋桨6，控制旋桨6转速来改变得到不同的紊动切应率，进而分析其对泥沙絮凝的影响。整个试验装置可拆卸组装，受场地限制小且成本较低。通过水箱3底部的第二水龙头8的排放可直接得到絮凝后的泥沙样本，减少了对其结构的破坏。
上述旋桨6式絮凝沉降试验装置对深水中细颗粒泥沙絮凝沉降的试验方法，包括以下步骤：
S1：建立紊动切应率G与旋桨6的关系模型：
其中，bd,p为阻力系数，Ap为旋桨6的桨叶面积，Rp为旋桨6的半径，S为电机1为旋桨6提供的转动速度，νw为桨叶与水中细颗粒泥沙的运动粘度，VT为水箱3内流体总体积，a为影响系数；
S2：根据试验所需的紊动切应率G、电机1的转动速度S，选取对应型号的旋桨6，并将旋桨6安装在连接轴5上；
S3：准备试验所需的细颗粒泥沙材料，确保细颗粒泥沙的颗粒均匀，将细颗粒泥沙材料加入水箱3中，再向水箱3中加入设定高度的水；
S4：打开电闸12，通过调速旋钮14设置旋桨6的转动速度，当旋桨6达到设定的速度旋转并保持一段时间后，关闭电闸12，旋桨6停止转动；
S5：细颗粒泥沙在搅拌后进行沉降，运动相机记录细颗粒泥沙沉降的影像，提取影像中细颗粒泥沙达到最高点时的祯图像，以水箱3的边界作为界限，将祯图像裁成只包含水箱3内部的方形图像；
S6：建立直角坐标系，将方形图像放入坐标系中，且直角坐标系的x轴和y轴与方形图像的直角边对齐；
S7：在方形图像中标记出所有包含细颗粒泥沙的像素，并得到每个像素的坐标(x，y)，筛选出距离x轴垂直距离最远的像素的坐标(x，ymax)，将ymax值作为细颗粒泥沙在沉降过程中的沉降距离；
S8：利用ymax值计算沉降过程中做的凝聚功W：W＝(G'-F浮)×ymax，其中G'为细颗粒泥沙的重力，F浮为细颗粒泥沙在水中的浮力；
S9：提取细颗粒泥沙沉降完成后的沉降图像，测量沉降图像中沉降部分的高度h'，利用高度h'计算形成的沉降层的体积V：V＝h'·S，S为水箱3的底面积；
S10：计算沉降后细颗粒泥沙之间的接触半径：
M为细颗粒泥沙的总质量，m为单个细颗粒泥沙的质量，单个细颗粒泥沙在沉降层中所占的体积即为接触半径；
S11：利用凝聚功W计算细颗粒泥沙之间的凝聚力F凝：
F凝＝W Rminπh
其中，h为影响因子，取常数，一般取h＝2；
S12：计算细颗粒泥沙之间的作用力F作用：
S13：利用凝聚力F凝和作用力F作用力计算细颗粒泥沙在沉降过程中形成的吸引力F吸引：
其中，A为吸引常数，取常数，一般取值为10-19J；R为细颗粒泥沙中泥沙颗粒的半径。
本发明的试验方法通过建立紊动切应率G与旋桨6的关系模型，针对试验的紊动切应率需求来选择不同的旋桨6，方便精准的控制紊动切应率，达到进行不同条件的试验目的。同时，在试验过程中，通过运动相机记录在动态环境下泥沙的沉降过程，并且沉降结束后，利用记录的动态影像以及沉降完成后的静态过程，对泥沙的沉降过程进行综合分析和力学参数的计算，确保能精确的模拟出真实环境下泥沙的沉降过程，分析沉降时泥沙之间的相互作用力和破坏性，分析水流对泥沙真实沉降的影响状态，方便根据计算出的力学参数和分析过程为水库沉积泥沙的防治提供有效意见。
Claims (5)
1.一种旋桨式絮凝沉降试验装置，其特征在于，包括钢架基台，所述钢架基台的上方设置有水箱，所述水箱的上方设置有电机，所述电机的旋转轴上设置有向水箱底部延伸的连接轴，所述连接轴的端部设置有可拆卸的旋桨，所述电机安装在钢支架的上端，所述钢支架罩在水箱外，所述水箱的侧面设置有若干第一水龙头，若干所述第一水龙头在水箱上竖向排列，所述第一水龙头与排水管连接；所述钢支架的上端设置有控制器，所述控制器上设置有调速旋钮和电闸，所述钢架基台上端的侧面设置有可折叠的平台，所述平台的端部设置有向下延伸的支柱，所述平台的上方放置拍摄水箱的运动相机。
2.根据权利要求1所述的旋桨式絮凝沉降试验装置，其特征在于，所述钢支架的上端设置有两根平行的槽钢，所述电机通过螺栓安装在两根槽钢上。
3.根据权利要求1所述的旋桨式絮凝沉降试验装置，其特征在于，所述水箱的底部设置有排水口，所述排水口上设置有第二水龙头，所述第二水龙头与排水管连接。
4.根据权利要求1所述的旋桨式絮凝沉降试验装置，其特征在于，所述旋桨的上端与连接轴通过螺纹连接。
5.一种采用权利要求1-4任一项所述的旋桨式絮凝沉降试验装置对深水中细颗粒泥沙絮凝沉降的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立紊动切应率G与旋桨的关系模型：
其中，bd,p为阻力系数，Ap为旋桨的桨叶面积，Rp为旋桨的半径，S为电机为旋桨提供的转动速度，νw为桨叶与水中细颗粒泥沙的运动粘度，VT为水箱内流体总体积，a为影响系数；
S2：根据试验所需的紊动切应率G、电机的转动速度S，选取对应型号的旋桨，并将旋桨安装在连接轴上；
S3：准备试验所需的细颗粒泥沙材料，确保细颗粒泥沙的颗粒均匀，将细颗粒泥沙材料加入水箱中，再向水箱中加入设定高度的水；
S4：打开电闸，通过调速旋钮设置旋桨的转动速度，当旋桨达到设定的速度旋转并保持一段时间后，关闭电闸，旋桨停止转动；
S5：细颗粒泥沙在搅拌后进行沉降，运动相机记录细颗粒泥沙沉降的影像，提取影像中细颗粒泥沙达到最高点时的祯图像，以水箱的边界作为界限，将祯图像裁成只包含水箱内部的方形图像；
S6：建立直角坐标系，将方形图像放入坐标系中，且直角坐标系的x轴和y轴与方形图像的直角边对齐；
S7：在方形图像中标记出所有包含细颗粒泥沙的像素，并得到每个像素的坐标(x，y)，筛选出距离x轴垂直距离最远的像素的坐标(x，ymax)，将ymax值作为细颗粒泥沙在沉降过程中的沉降距离；
S8：利用ymax值计算沉降过程中做的凝聚功W：W＝(G'-F浮)×ymax，其中G'为细颗粒泥沙的重力，F浮为细颗粒泥沙在水中的浮力；
S9：提取细颗粒泥沙沉降完成后的沉降图像，测量沉降图像中沉降部分的高度h'，利用高度h'计算形成的沉降层的体积V：V＝h'·S，S为水箱的底面积；
S10：计算沉降后细颗粒泥沙之间的接触半径：
M为细颗粒泥沙的总质量，m为单个细颗粒泥沙的质量，单个细颗粒泥沙在沉降层中所占的体积即为接触半径；
S11：利用凝聚功W计算细颗粒泥沙之间的凝聚力F凝：
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其中，h为影响因子，取常数；
S12：计算细颗粒泥沙之间的作用力F作用：
S13：利用凝聚力F凝和作用力F作用力计算细颗粒泥沙在沉降过程中形成的吸引力F吸引：
其中，A为吸引常数，取常数；R为细颗粒泥沙中泥沙颗粒的半径。
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