CN1588491A - 叠梁式自循环明渠实验槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叠梁式自循环明渠实验槽。它具有自循环供水箱、箱内设有潜水泵，三角堰量水槽布置于自循环供水箱上，三角堰量水槽内设有测量筒、稳水板和三角堰，稳水板侧向开有稳水孔，测量筒上部设有量水堰测针，稳压水箱与潜水泵用输水管道连接，三角堰量水槽上部布置实验水槽，实验水槽头部与稳压水箱连接，实验水槽尾部设置多孔尾门和下水槽，实验水槽底板上设有多个模型安装孔，实验水槽槽身侧壁设置闸门槽，实验水槽上部布置测量轨道，实验水槽测针安放于测量轨道上。三角堰上附设有三角堰量水卡尺。本发明解决了传统明渠实验槽基础设施占地广、投入大、能耗大，且操作烦琐、效率低、教学效果不直观的缺陷。

Description

叠梁式自循环明渠实验槽

技术领域

本发明涉及实验量测仪器，尤其涉及一种叠梁式自循环明渠实验槽。

背景技术

水流运动是一种非常复杂的自然现象，对于各种作用力存在的情况和它们发展的规律，至今还没能很好掌握，水工模型试验就是仿照原体实物，按照相似的准则，缩制成模型，根据其所受的主要作用力，进行试验研究。水工模型试验中，为配合整体枢纽布置或研究某些二元水流问题，需建置明渠实验槽，借助于明渠实验槽观测水流流态，描绘或摄录实验过程中各种水流现象。

因此，明渠实验槽作为一实验平台，在工程流体力学和明渠水力学课程实验教学及其相关的科学研究领域，被广泛运用。然而传统的明渠实验槽，存在着一定弊端：其一，基础设施建设工程庞大，除建设实验槽外，还需建设独立供水、稳水、排水系统，占地面积动辄数百上千平米，投入巨大；其二，设备庞大由此带来的设备运行维护也复杂，运行成本也较高；其三，设备庞大，各设施间较为独立、分散，教学效果不直观。

发明内容

本发明的目的是提供一种叠梁式自循环明渠实验槽。

它具有自循环供水箱、在自循环供水箱内设有潜水泵，三角堰量水槽布置于自循环供水箱上，三角堰量水槽内设有测量筒、稳水板和三角堰，稳水板侧向开有稳水孔，测量筒上部设有量水堰测针，稳压水箱与自循环供水箱内设有潜水泵用输水管道连接，输水管道上设置流量调节阀、流量旁通阀，三角堰量水槽上部布置实验水槽，实验水槽头部与稳压水箱连接，实验水槽尾部设置多孔尾门和下水槽，下水槽下口进入三角堰量水槽，实验水槽底板上设有多个模型安装孔，实验水槽槽身侧壁设置闸门槽，实验水槽上部布置测量轨道，实验水槽测针安放于测量轨道上。三角堰所用三角堰量水卡尺卡角为90°，卡尺上设置消除毛细现象内角。

本发明的优点：

1)一改以往结构庞大的作法，设备自带供水、稳水、回水的自循环系统，免去了庞大的基础建设；

2)实现了实验系统的缩小简化，并采用叠梁式结构，一套装置占地仅数平米，极大地节省了实验布置场地；

3)采用了独立自循环供水系统，供水装置为普通潜水泵，耗电省，且重复利用实验水体，节约资源。

4)设备个设施布局紧密合理，各功能区功能直明显观，且小型化装置操作简便，适合于现代教学要求；

附图说明

图1是叠梁式自循环明渠实验槽结构示意图。

图2是三角堰量水卡尺结构示意图。

图3是三角堰量水卡尺工作示意图。

具体实施方式

叠梁式自循环明渠实验槽具有自循环供水箱1、在自循环供水箱内设有潜水泵18，三角堰量水槽2布置于自循环供水箱1上，三角堰量水槽2内设有测量筒11、稳水板12和三角堰13，稳水板12侧向开有稳水孔，测量筒11上部设有量水堰测针14，稳压水箱3与自循环供水箱内设有潜水泵18用输水管道19连接，输水管道17上设置流量调节阀15、流量旁通阀16，三角堰量水槽2上部布置实验水槽4，实验水槽4头部与稳压水箱3连接，实验水槽4尾部设置多孔尾门9和下水槽10，下水槽10下口进入三角堰量水槽2，实验水槽4底板上设有多个模型安装孔8，实验水槽4槽身侧壁设置闸门槽5，实验水槽4上部布置测量轨道7，实验水槽测针6安放于测量轨道7上。三角堰量水槽2内的三角堰13上附设有三角堰量水卡尺19，三角堰量水卡尺卡角为90°，卡尺上设置消除毛细现象内角。

本发明的工作过程是：在实验水槽装载与实验项目相关的实验模型，自循环供水箱内试验用水经箱内潜水泵提水，通过稳压水箱稳压后，平稳进入实验水槽，绕过实验水槽内实验模型，由实验水槽尾部跌落进入三角堰量水槽，由三角堰测出实验水槽内过流流量，水体再经三角堰量水槽内三角堰回流到自循环供水箱内。运用其他测量手段，观测实验水槽内水流经过实验模型流态，描绘或摄录实验过程中各种水流现象。

实验原理

本发明明渠实验槽，采用实验室专门三角堰测定流量，其计算公式为：

式中：

        Q——三角堰过流流量；

        ₀₁、₀₀——分别为三角堰堰顶水位和三角堰堰顶高程。

水流经稳压水箱进入实验水槽，后通过三角堰，中间不再有流量输入、输出，所以实验测得三角堰过流流量Q，便可得道实验水槽内通过实验模型的水流流量。若要对实验水槽内给定流量Q，由(1)、(2)得到

${\▿}_{01}=\sqrt[2.47]{Q/15.42}+{\▿}_{00}$

通过调节流量调节阀、流量旁通阀开度，使三角堰堰顶水位₀₁达到计算值，便可得到给定流量Q。

本发明的三角堰量水卡尺专门用于测量三角堰堰顶高程₀₀，由于水与堰壁存在毛细现象，局部液面升高，发明本新型三角堰量水卡尺，卡尺上设置内角用于消除毛细现象。测量三角堰堰顶高程₀₀方法为：将卡尺贴紧三角堰壁面置于三角堰顶，卡尺尖顶与三角堰堰顶处于同一高程，通过测量筒对三角堰量水槽注水，三角堰量水槽内水位上升，当水位正好达到卡尺尖顶，由量水堰测针测得卡尺尖顶高程即为三角堰堰顶高程₀₀。

实验内容

本发明明渠实验槽作为一实验平台，在工程流体力学和明渠水力学课程实验教学及其相关的科学研究领域，如配合整体枢纽布置、研究某些二元水流问题等，均可运用。经常实施实验项目有：

1)流态实验

在闸门下游明槽中设置一障碍物，调节闸门开度、尾门降到最低处，启动水泵，调节流量Q闸下游水流呈现急流状态，其Fr＞1。急流下，水流受扰动所形成的干扰微波不能向上游传播，水流流经障碍物时，水面出现隆起现象。适当升高尾门，使闸下形成淹没出流。水流呈现缓流状态，其Fr＜1，这时干扰微波能向上游传播，水流流经障碍物时，水面降落。这种流动称为缓流。

2)堰流实验

本发明明渠实验槽实验水槽内设置有专门安装孔，用于安装不同堰型，如薄壁堰、实用堰、WES堰等、无坎宽顶堰，分别安装上述堰型，可进行不同堰型的堰流实验，测定不同堰型流量系数m，其计算公式为：

$Q=\mathrm{mb}\sqrt{2g}{H}_0^{3/2}({\mathrm{cm}}^3/s)$

式中：

     Q——堰上过流流量，本发明由三角量水堰测得，见公式(1)、

(2)；

     b——实验水槽宽度；

     H₀——堰上总头， $H_0=H+\frac{{\mathrm{\α\υ}}^2}{2g};$

     H——堰上水头。

另，本发明自带三角堰测流量，可兼作三角形薄壁堰实验。

3)水跃实验

通过实验可测定完整水跃共轭水深h′、h″、跃长L_B、消能率η，并可验证平坡矩形槽中自由水跃计算的理论公式：

$h^{\′}=\frac{h^{\′\′}}{2}(\sqrt{1+8\frac{\mathrm{\α}{q}^2}{{\mathrm{gh}}^{\′\′3}}}-1)$

                    L_B＝6.1h″

${\mathrm{\ΔH}}_j=\frac{{(h^{\′\′}-h^{\′})}^3}{4h^{\′\′}{h}^{\′}}$

                    η＝ΔH_j/H₁

式中，

     ΔHj——水跃的能量损失；

       H₁——跃前断面总能头。

同时还可演示远驱、临界和淹没三种水跃以及按Fr不同而区分的波状水跃、弱水跃、摆动水跃、稳定水跃和强水跃五种型态水跃。

1)消能实验

本发明明渠实验槽实验水槽内设置有专门安装孔，配合专门垫高式消能实验平台，根据实验要求按所提供的工程原型资料，进行消能实验，检验设置消能的必要性。并校核原型消能水力设计的合理性。实验项目有：底流消能池实验、底流消能坎实验、挑流消能、面流消能、戽流消能等。

2)其它二元水流问题实验

本发明明渠实验槽作为一实验平台，除可进行上述几项实验外，还可进行在工程流体力学和明渠水力学课程实验教学及其相关的科学研究领域一些其它实验研究，如泥砂启动流速实验等。

Claims (2)

1、一种叠梁式自循环明渠实验槽，其特征在于它具有自循环供水箱(1)、在自循环供水箱内设有潜水泵(18)，三角堰量水槽(2)布置于自循环供水箱(1)上，三角堰量水槽(2)内设有测量筒(11)、稳水板(12)和三角堰(13)，稳水板(12)侧向开有稳水孔，测量筒(11)上部设有量水堰测针(14)，稳压水箱(3)与自循环供水箱内设的潜水泵(18)用输水管道(17)连接，输水管道(17)上设置流量调节阀(15)、流量旁通阀(16)，三角堰量水槽(2)上部布置实验水槽(4)，实验水槽(4)头部与稳压水箱(3)连接，实验水槽(4)尾部设置多孔尾门(9)和下水槽(10)，下水槽(10)下口进入三角堰量水槽(2)，实验水槽(4)底板上设有多个模型安装孔(8)，实验水槽(4)槽身侧壁设置闸门槽(5)，实验水槽(4)上部布置测量轨道(7)，实验水槽测针(6)安放于测量轨道(7)上。

2、根据权利要求1所述一种叠梁式自循环明渠实验槽，其特征在于，三角堰量水槽(2)内的三角堰(13)上附设有三角堰量水卡尺(19)，三角堰量水卡尺卡角为90°，卡尺上设置消除毛细现象内角。

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