CN207295605U - 交汇河道水沙运动的实验装置 - Google Patents

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CN207295605U CN201721025852.1U CN201721025852U CN207295605U CN 207295605 U CN207295605 U CN 207295605U CN 201721025852 U CN201721025852 U CN 201721025852U CN 207295605 U CN207295605 U CN 207295605U
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袁赛瑜
唐洪武
林青炜
夏阳
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姜兆宇
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Abstract

本实用新型是交汇河道水沙运动的实验装置,其结构包括干流水槽、支流水槽、水槽下游区、上游A水箱、上游B水箱、下游水箱、A抽水管道、加沙器、B抽水管道;其中,干流水槽的上游与上游A水箱连通,支流水槽的上游与上游B水箱连通,上游A水箱与下游水箱之间通过A抽水管道连通,上游B水箱与下游水箱之间通过B抽水管道连通,A抽水管道上有A电磁流量计、A阀门、A变频泵,B抽水管道上有B电磁流量计、B阀门、B变频泵,干流水槽上有A加沙器,支流水槽上有B加沙器。优点:方便进行河网交汇区深坑‑沙垄等复杂河床下水流、泥沙运动和床面形态变化的模拟和观测。

Description

交汇河道水沙运动的实验装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种交汇河道水沙运动的实验装置,属于河流动力学科学技术领 域。
背景技术
[0002]我国东部平原地区经济发达,人口众多,但河湖污染严重,加上河流交错、水动力 不足,自净能力差,水安全形势严峻,严重威胁人民的用水安全;这使我国东部平原河流尤 其是河网的水安全问题备受关注;平原区河网交汇处是河网水体污染物汇合掺混和输移富 集的重要控制节点,揭示河网交汇处污染物输移规律对明确河网污染物输移轨迹和归宿、 保障我国东部河网水安全具有十分重要的意义。
[0003]污染物输移的主要驱动力包括对流和紊动扩散;但是,交汇处“深坑-沙垄”床面形 态特殊,水流结构复杂、紊动强烈,对流特性未明;同时,平原地区泥沙较细且富含黏沙,对 污染物具有较强的吸附和解吸附作用,因此泥沙运动在污染物富集和水体二次污染方面同 样扮演着重要角色;因此,研宄河网交汇处复杂床面下水沙运动规律是揭示河网交汇处污 染物输移规律的前提;因床面形态生成、稳定和固化等的困难,目前现有的研宄河网交汇处 水沙运动的实验系统和模拟方法主要是不考虑床面形态下的水沙运动,所得的研究成果也 与实际情况有所背离,故亟需河网交汇区复杂河床下水沙运动的实验模拟装置。 实用新型内容
[0004] 本实用新型提出的是交汇河道水沙运动的实验装置,其目的旨在方便实现河网交 汇区深坑-沙垄等复杂河床下水流、泥沙运动和床面形态变化的模拟和观测。
[0005] 本实用新型的技术解决方案:交汇河道水沙运动的实验装置,其结构包括千流水 槽1-1、支流水槽1-2、水槽下游区1-3、上游A水箱2、上游B水箱3、下游水箱4、A抽水管道9、加 沙器11、B抽水管道12;其中,千流水槽1-1的上游与上游A水箱2连通,支流水槽1-2的上游与 上游B水箱3连通,上游A水箱2与下游水箱4之间通过A抽水管道9连通,上游B水箱3与下游水 箱4之间通过B抽水管道12连通,A抽水管道9上设有A电磁流量计5、A阀门6、A变频泵7, B抽 水管道12上设有B电磁流量计5,、B阀门6,、B变频栗7 ’,干流水槽1-1上有A加沙器11,支流 水槽1-2上有B加沙器11’。
[0006] 本实用新型的有益效果:方便实现对河网交汇区深坑-沙垄等复杂河床下水'流、泥 沙运动和床面形态变化的模拟和观测,便于为河网交汇处水沙污染物等物质输移研1宄提供 技术支撑。
附图说明
[0007] 附图1为汇流角为90°的实验模拟系统俯视图。
[0008] 附图2为附图1中A断面示意图。
[0009] 附图3为附图1中B断面示意图。
[0010] 附图4为附图1中C断面示意图。
[0011] 附图5为附图1中D断面示意图。 t〇〇12]附图6为测量区对应的流速测量区横断面示意图。
[0013]附图中1-1是干流水槽,1-2是支流水槽,1-3是水槽下游区,1-4是交汇区,卜5是测 量区,2是上游A水箱,3是上游B水箱,4是下游水箱,5是A电磁流量计,6是A阀门,7是A变频 泵,5 ’是B电磁流量计,6 ’是B阀门,7 ’是B变频泵,S是A整流格栅,S ’是B整流格栅,9是A抽水 管道,10是尾部阀门,U是A加沙器,11’是B加沙器,12是B抽水管道。
具体实施方式
[0014]交汇河道水沙运动的实验装置,其结构包括干流水槽1-1、支流水槽^、水槽下游 区1-3、上游A水箱2、上游B水箱3、下游水箱4、A抽水管道9、加沙器11、B抽水管道12;其中,干 流水槽1-1的上游与上游A水箱2连通,支流水槽1_2的上游与上游B水箱3连通,上游A水箱2 与下游水箱4之间通过A抽水管道9连通实现水流循环,上游B水箱3与下游水箱4之间通过B 抽水管道12连通实现水流循环,A抽水管道9上设有A电磁流量计5、A阀门6、A变频栗7, B抽 水管道12上设有B电磁流量计5 ’、B阀门6 ’、B变频泵7 ’,干流水槽1-1上有A加沙器11,支流 水槽1-2上有B加沙器11 ’。
[0015]所述干流水槽1-1的上游与上游A水箱2的连通处设有A整流格栅8,支流水槽1-2的 上游与上游B水箱3的连通处设有B整流格栅8 ’,A整流格栅8和B整流格栅8,确保水槽内水流 平稳。
[0016] 作为优选,所述干流水槽1 -1、支流水槽1 -2、水槽下游区1 -3的宽度设置应遵循水 力几何关系= —[1+ On/Vm) 1/b]b,wpc是指水槽下游区1_3的水槽宽度,为干流水槽卜1 的宽度,为支流水槽1 _2的宽度,参数b设置为0 • 5;如果干流水槽1 -1和支流水槽1 -2的宽 度一样,交汇区1-4下游处水槽下游区I-3的水槽宽度为交汇之前水槽宽度的i.4倍。
[0017]所述干流水槽1-1和支流水槽1-2的汇流角可以根据现场河道交汇的真实情况设 定,也可根据实验研究人员的研究目的而设定特定汇流角进行研究。
[0018]所述千流水槽1-1与支流水槽1-2连接处为交汇口,交汇口的周围是交汇区1-4,选 取位于干流水槽1-1上交汇口下游的部分交汇区1 -4为测量区1-5。
[0019]所述测量区1-5的水槽壁上可架设超声波多普勒测速仪,用以测量实时三维流速, 确定汇流区内复杂的水流结构的对流和紊动扩散特性;使用时,利用超声波多普勒测速仪 测取测量区的三维水^流流度,用来确定交汇区卜4内复杂的水流结构的对流和紊动扩散特 性,测量时添加中性浮力空心玻璃球增强超声波多普勒测速仪的超声波散射信号。
[0020]实际利用交汇河道水沙运动的实验装置工作时,在交汇区卜4中铺有由两种中值 粒径不同的沙混合而成的泥沙,且应满足:a)在上游和下游恢复区无大量泥沙起动,即泥 沙中值粒径大于起动粒径;(2)在表面细颗粒泥沙被冲蚀之后,会产生强烈的床面粗化,保 护底下的细颗粒泥沙不再被冲蚀,并形成冲坑和沙垄等典型的床面形态。
[0021]所述干流水槽1-1的边缘和外壁上贴有坐标贴纸,用以快速确定水位和确定超声 波多普勒测速仪的测量位置。
[0022]所述下游水箱4与干流水槽l-i连通处设置有尾部阀门1〇,通过调节尾部阀门10高 度控制水槽内水位高度。
[0023] —种利用交汇河道水沙运动的实验装置进行模拟的方法,该方法包括以下步骤:
[0024] 1)根据实验设定的流速,查询Sh i elds曲线,确定下游恢复区泥沙起动粒径,因为 恢复区流速大于上游流速,所以只要恢复区无大量泥沙起动,则上游也无大量泥沙起动;
[0025] 2)交汇区1-4处覆盖一层由两种不同中值粒径的沙混合而成的泥沙混合物作为河 床,其中一种粒径远大于下游水流恢复区粒径,一种小于水流恢复区泥沙粒径;交汇区1-4 河床其厚度根据实验设置确定,其中值粒径大于下游恢复区泥沙起动粒径,并能在交汇区 1-4处产生床面粗化,形成冲坑和沙垄等典型的床面形态,铺沙过程缓慢均匀,并在实验开 始前将河床面整平,铺沙区域端部以坡比为1:5的不起动泥沙过渡到水槽底面;
[0026] (3)在干流水槽1-1的上游与上游A水箱2连通处及支流水槽1-2的上游与上游B水 箱3的连通处设置整流格栅8;
[0027] 4)根据实验设定的水位高度,调节尾部阀门10高度,然后向下游水箱4内加适量的 水,确保实验系统稳定运行;
[0028] 5)调节变频栗7和阀门6,观察两个电磁流量计5的示数,根据实验设定的干支流汇 流比、雷诺数和弗洛德数,按实验需要确定变频泵频率和阀门大小,直至示数稳定后继续实 验;
[0029] 6)水槽内通入稳定水流直至河床形态不再改变,使用激光测距仪测量冲淤区冲淤 平衡后的河床高程,然后,均匀撒上充足的水泥粉,以达到固化床面的效果;
[0030] 7)在床面固化后,重新通入水流,随后向水槽内添加中性浮力空心玻璃球,增强超 声波多普勒测速仪的超声散射信号,等待至中性浮力空心玻璃球与水流充分混合并达到稳 定状态;
[0031] 8)根据实验设定,在测量区1-5处选取一定数目的垂直于水槽下游区1-3槽壁的横 断面,使用超声波多普勒测速仪进行实时三维流速测量;
[0032] 9)通过在千流水槽1-1的A加沙器11和/或支流水槽1-2的B加沙器11’中加入不同 粒径组的染色沙子向水中加沙,通过观测染色沙子的运动轨迹和淤积分布规律,即可模拟 汇流区复杂床面下泥沙的输移情况。 实施例
[0033]下面结合附图对本发明作更进一步说明。
[0034]如图1至图3所示,交汇河道水沙运动的实验装置,其结构包括干流水槽1-1、支流 水槽1 -2、水槽下游区1 _3、上游A水箱2、上游B水箱3、下游水箱4、抽水管道9、尾部阀门10、力口 沙器11、超声波多普勒测速仪(ADV)、激光测距仪;其中,干流水槽1-1的上游与上游A水箱2 连通,支流水槽1-2的上游与上游B水箱3连通,上游A水箱2与下游水箱4之间通过A抽水管道 9连通实现水流循环,上游B水箱3与下游水箱4之间通过B抽水管道12连通实现水流循环,A 抽水管道9上设有A电磁流量计5、A阀门6、A变频栗7,B抽水管道12上设有B电磁流量计5 ’、B 阀门6 ’、B变频泵7 ’,干流水槽1-1上有A加沙器11,支流水槽1-2上有B加沙器11 ’。
[0035]所述干流水槽1 -1、支流水槽1 -2、水槽下游区1 -3利用有机玻璃做壁面,使得整个 实验过程获得良好的可视效果;干流水槽1-1、支流水槽1-2利用钢架托举,钢架下设有滚 轮,这样既能保证防锈,又能增强装置的整体稳定性,更重要的是钢架下设有滚轮,便于移 动装置和设定汇流角度。
[0036]所述测里区1-5的水槽壁上可架设ADV,用以测量实时三维流速,确定汇流区内复 杂的水流结构的对流和紊动扩散特性。
[0037]所述干流水槽1-1沿长度方向依次设为上游区、交汇区卜4和水槽下游区1-3;支流 水槽1 -2沿长度方向依次设为上游区和1 -4交汇区;支流水槽1 -2与干流水槽1 -1在交汇区1 一 4处连通。
[0038]所述干流水槽1-1和支流水槽1-2高度为40cm,交汇前上游段的干流水槽1-1和支 流水槽1-2宽^为30cm,则交汇后下游水槽宽度根据水力几何可设为4〇cm,约为上游水槽宽 度的1.4倍;交汇前干流水槽1-1和支流水槽卜2的长度均为4m,交汇后干流水槽1-1和支流 水槽1-2的水槽长度为7m;水槽底面为平坡式,比降i为〇,汇流角为90。。
[0039]所述交汇区1-4铺沙厚度为5 • 5cm,泥沙由两种中值粒径的沙混合而成,一种泥沙 的中值粒径为〇 • 1mm,另一种泥沙的中值粒径为2mm,混合后总泥沙的中值粒径为〇. 9mm,使 得交汇区可以实现强烈的床面粗化并形成典型交汇区沙垄一深坑床面。
[0040]所述水槽下游区1 -3的水流恢复区流速为〇. 27m/s,根据Shie 1 ds曲线确定水流恢 复区泥沙起动粒径为〇 • 3mm,小于混合泥沙中值粒径〇. 9mm,所以水流恢复区无大量泥沙起 动。
[0041]所述铺沙长度为:从交汇区1-4处向上游两汊水槽延伸300cm,向下游水槽延伸 330cm,铺沙区域端部以坡比为1:5泥沙过渡;所述A抽水管道9和B抽水管道12为llOmmPVC管 道。
[0042]所述A抽水管道9上设有A电磁流量计5、A阀门6、A变频泵7, B抽水管道12上设有B 电磁流量计5’、B阀门6’、B变频栗7’,分别用以控制千流水槽1-1和支流水槽1-2内的流量; 调节A阀门6、A变频泵7、B阀门6’、B变频泵7’,使干支流汇流比为0.4,即干流流量仍为9L/ s,支流流量仍为6L/s;千流、支流和交汇区的的弗洛德常数分别为〇 .14、0.10、0.18;干流、 支流和交汇区的雷诺数分别为14141、9430、20344。
[0043]所述下游水箱4与水槽下游区1-3连通处设置有尾部阀门10,通过调节尾部阀门1〇 高度控制水槽内水位高度为16.5cm〇
[0044]所述千流水槽1 -1的上游与上游A水箱2的连通处设有A整流格栅8,支流水槽1 -2的 上游与上游B水箱3的连通处设有B整流格栅8 ’,整流格栅8和整流格栅8 ’确保水槽内水流平 稳。
[0045] 一种利用交汇河道水沙运动的实验装置进行的模拟方法,包括以下步骤:
[0046] 1)根据下游恢复区流速,查询Shields曲线,确定恢复区泥沙起动粒径为〇. 3mm,因 为恢复区流速大于上游流速,所以只要恢复区无大量泥沙起动,则上游也无大量泥沙起动; [0047] 2)在交汇区处覆盖一层由两种不同中值粒径的沙混合而成的泥沙混合物作为河 床,一种泥沙的中值粒径为〇. lmm,另一种泥沙的中值粒径为2mm,混合后中值粒径为0.9mm, 大于恢复区起动粒径,沙层厚度为5.5cm,铺沙过程缓慢均匀,并在实验开始前将河床面整 平,铺沙区域端部以坡比为1:5不起动泥沙过渡,如图2所示;
[0048] 3)在干流水槽上游1-1与上游A水箱2连通处及支流水槽上游1-2与上游B水箱3连 通处设置整流格栅;
[0049] 4)调节尾部阀门高度使水位为16.5cm,然后向下游水箱内加适量的水,保证系统 稳定运行;
[0050] 5)调节A阀门6、A变频泵7、B阀门6’、B变频栗7’,观察两个电磁流量计的示数,控 制干流流量02为9L/s,水深为16.5cm,支流流量仍为6L/s,水深也为16.5cm,使得汇流比为 0.4,;控制干流、支流和交汇区的的弗洛德数分别为〇. 14、0 • 10、0 • 18;控制干流、支流和交 汇区的雷诺数分别为14141、9430、20344;调节至流量计示数稳定后继续实验;
[0051] 6)水槽内通入稳定水流三小时后,河床形态不再改变,使用激光测距仪测量冲淤 区冲淤平衡后的河床高程,然后,均匀撒上充足的水泥粉,以达到固化床面的效果;
[0052] 7)床面固化后,重新通入水流,随后向水槽内添加中性浮力空心玻璃球,增强超声 波多普勒测速仪的超声波散射信号,等待至中性浮力空心玻璃球与水流充分混合并达到稳 定状态;
[0053] 8)根据实验总共设定5个垂直于水槽下游区1-3槽壁的横断面进行流速测量,SPT1 到T5断面(见图3);实测断面的横向间距为2cm,靠近河床的两个相邻的垂直测量点之间的 间隔为0 • 5cm,且靠近水面的间距为1 cm,使用ADV进行三维流速测量;
[00M] 9)在干流水槽1-1上游的A加沙器11缓慢加入不同粒径组的白色沙子,在支流水槽 1-2上游的B加沙器11’缓慢加入不同粒径组的黑色沙子;观察干流和支流染色沙于汇流区 特殊水利条件作用下在复杂床面上的运动轨迹和淤积分布规律,实现模拟汇流区复杂床面 下泥沙输移情况。

Claims (7)

1. 交汇河道水沙运动的实验装置,其特征是包括干流水槽、支流水槽、水槽下游区、上 游A水箱、上游B水箱、下游水箱、A抽水管道、加沙器、B抽水管道;其中,干流水槽的上游与上 游A水箱连通,支流水槽的上游与上游B水箱连通,上游A水箱与下游水箱之间通过A抽水管 道连通,上游B水箱与下游水箱之间通过B抽水管道连通,A抽水管道上有A电磁流量计、A阀 门、A变频栗,B抽水管道12上有B电磁流量计、B阀门、B变频泵,干流水槽上有A加沙器,支流 水槽上有B加沙器。
2. 根据权利要求1所述的交汇河道水沙运动的实验装置,其特征是所述干流水槽的上 游与上游A水箱的连通处有A整流格栅,支流水槽的上游与上游B水箱的连通处有B整流格 栅。
3. 根据权利要求1所述的交汇河道水沙运动的实验装置,其特征是所述干流水槽、支流 水槽、水槽下游区的宽度设置应遵循水力几何关系:%。= Wm[l+〇ft/Vm) 1/fa]b,lfp。是指水槽下 游区的水槽宽度,^为干流水槽的宽度At为支流水槽的宽度;参数b设置为〇. 5。 4 _根据权利要求1所述的交汇河道水沙运动的实验装置,其特征是所述干流水槽与支 流水槽连接处为交汇口,交汇口的周围是交汇区,选取位于干流水槽上交汇口下游的部分 交汇区为测量区。
5. 根据权利要求1所述的交汇河道水沙运动的实验装置,其特征是所述干流水槽的边 缘和外壁上有坐标贴纸。 B
6. 根据权利要求1所述的交汇河道水沙运动的实验装置,其特征是所述下游水箱与干 流水槽连通处有尾部阀门。
7.根据权利要求4所述的交汇河道水沙运动的实验装置,其特征是所述测量区的水槽 壁上有超声波多普勒测速仪。 S
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