一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置及操作方法

摘要

本发明公开了一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置及操作方法，属于环境流体力学领域。本发明通过可调电机驱动水槽底部的转轮产生剪切力带动槽内水流运动，实现槽内流速由底层向表层递增，符合天然河道垂向流速特性；同时，为减弱水槽的二次流及流速沿径向分布不均等特性，在水槽中设置一段直槽段，增加直线流程，使流速沿横向分布趋于均匀。本发明不仅可以用于水流、水动力特性的研究，还可应用于水质、水环境等相关机理试验。其技术优势在于：水槽固定，由底部转轮带动水流运动，更符合天然河道垂向流速特性，装置构造和控制系统简单，成本较低，试验可操作性强。

说明书

技术领域

本发明属于环境流体力学领域，更具体地说，涉及一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置及操作方法。

背景技术

近几十年来，水体沉积物研究一直是环境学科和水利学科共同关注的课题，研究外部动力扰动对沉积物的影响主要采用野外观测和室内模拟这两类方法。野外观测由于风浪、水流等条件的随机性和不可控性太强，常常产生较大的系统误差，给理论分析带来较大限制，因此一般仅用作调查和验证研究。目前开展相关基于动力学机制的理论研究常常是利用室内模拟方法，模拟的关键涉及外部动力扰动模拟与天然水体模拟两方面。其中，模拟外部动力扰动的常用方法可分为旋桨式、活塞式、振荡式、造波式和鼓风式，模拟天然水体的常用方法可分为三角瓶式、直管式和水槽式三种。

模拟外部动力扰动的方法中，旋桨式是通过旋桨在水中扰动带动水体运动进而引起沉积物悬浮，该方法受施力的局限性，会导致水体受力不均匀；活塞式是利用活塞在水中上下往复运动造成对沉积物表层的扰动从而产生悬浮，该方法的水流方向与天然水体差异较大；振荡式是通过振荡器的振荡作用使沉积物发生悬浮，其流速在垂向分布上不符合天然河道的特征；造波式是利用造波机造出的波浪扰动沉积物使其产生悬浮，与实际情况接近，但是造波装置复杂且成本较大；鼓风式难以准确调整鼓风口位置及其与水表面的夹角，也不利于实验的开展。

模拟天然水体的方法中，三角瓶式、直管式模拟天然水体显然具有相当大的局限性，不能反映出水体的流场状况，水槽式模拟可以与实际情况接近。因此，室内水槽装置是开展外部动力扰动作用下沉积物中污染物释放的发生过程与机理研究的重要设备。水槽按形状主要包括直水槽、环形水槽、折返式直水槽。其中环形水槽具有占地小、成本低的特点，并且不需要设置贮水箱和回流装置，无入流口和流出口的影响，因此环形水槽在研究水动力特性、水质、水环境相关机理中有着广泛的应用。目前已有的环形水槽多是研究湖泊风生流影响下的沉积物，如公开日为2014年5月28日的中国专利201320818449.X，驱动装置位于水体表面，装置与水体接触的部分较小，同等功率情况下形成的水流流速较小，电机功效不高。又如公开日为2017年9月29日的中国专利201710356492.1公开了一种用于环境与生态水力学流速试验模拟装置及方法，它的流速发生装置由变频器、变频电机、尼龙塑料棒、伞形齿轮组、塑料材质船用螺旋桨、卧式轴承组成，所述螺旋桨与水面平行设置，这种模拟方式会出现旋桨所在的平面流速大而其他地方较小，水流结构与天然河道存在较大差异。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有水槽装置在模拟外部动力扰动的方法、模拟天然水体的方法上所存在的缺陷，本发明提供一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置及操作方法，真实地模拟天然河道垂向流速特性，本发明的水槽装置可以模拟水体运动引起沉积物再悬浮的过程，满足流场运动-沉积物释放或再悬浮之间定量关系的研究需求，具有构造简单、造价便宜、使用方便的优点。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置，包括水槽、水流推进动力装置和底座，所述水槽为环形跑道状，所述水流推进动力装置包括底箱和转轮，所述底箱为顶部具有开口的容器，其顶部与水槽的底部相连；所述转轮包括转轴以及沿着所述转轴的中心轴线延伸且均匀地设置在所述转轴的圆周表面上的多个转轮板，所述转轴与所述水槽的底部位于同一平面，所述底座用于保持所述环形水槽装置的平衡。

更进一步地，所述转轴的圆周方向上均匀设有M排所述转轮板，每排设有N个所述转轮板，其中M≥2，N≥1。

更进一步地，所述转轮板活动插接在所述转轴上。

更进一步地，所述水流推进动力装置还包括电机和控制器，所述转轴与所述电机连接，所述电机由所述控制器控制。

更进一步地，所述控制器为变频调速器。

更进一步地，所述水流推进动力装置位于所述水槽的圆弧段和直槽段的交接处。

更进一步地，所述底座包括分别设置在水槽两圆弧端底部的第一支架和第二支架，所述第一支架和第二支架均为三角支撑结构。

前述用于模拟明渠水动力特征的水槽装置的操作方法，包括以下步骤：

1)对水槽进行蓄水，使水面高出转轮板的最上端3～5cm；

2)打开控制器，调整电机转速为1～50r/min；

3)待水槽内水流达到稳定后，选择直槽段起始点下游1个以上的位置，调节测点与水槽底部的距离，分别进行流速测定；

4)调整控制器，使电机转速为51～100r/min，重复步骤3)的操作，得到模拟明渠水动力特征数据。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明利用底部转轮板转动产生剪切力驱动槽内水体运动，由于转动时转轮板的线速度自外缘向内递减，所以转轮板施加给水体的力同样存在上层大而下层小的特征，从而导致上层水体比下层流速较快，该方式比旋桨式、活塞式、振荡式等方法更接近天然河道垂向流速分布特征；

(2)本发明的转轮板活动插接在转轴上，可根据所需要的流速大小增加或减少转轮板；

(3)本发明的环形水槽中可铺放沉积物，用于室内模拟天然明渠中沉积物再悬浮；

(4)本发明可通过调节电机的转速，模拟不同流速条件下明渠水的动力特征；

(5)本发明的水流推进动力装置位于所述水槽的圆弧段和直槽段的交接处，减少波浪对水槽另一侧直槽段的影响；

(6)本发明的装置与现有的水槽式模拟装置相比，具有构造简单、造价便宜、使用方便、电机效率较高等优势。

附图说明

图1为本发明的环形水槽装置的俯视示意图；

图2为本发明的环形水槽装置的结构示意图；

图3为本发明的环形水槽装置的主视示意图；

图4为本发明的转轮示意图；

图5为现有的叶轮结构示意图；

图6为电机转速50r/min条件下A断面中心线垂向流速分布对比；

图7为电机转速100r/min条件下A断面中心线垂向流速分布对比；

图8为电机转速50r/min条件下B断面中心线垂向流速分布对比；

图9为电机转速100r/min条件下B断面中心线垂向流速分布对比；

图中：1-水槽；2-水流推进动力装置；101-第一外壁圆弧段；102-第一外壁直槽段；103-第二外壁圆弧段；104-第二外壁直槽段；105-第一内壁圆弧段；106-第一内壁直槽段；107-第二内壁圆弧段；108-第二内壁直槽段；201-控制器；202-底箱；203-转轮板；204-转轴；301-第一支架；302-第二支架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例的一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置，如图1和图2所示，水槽装置由水槽1、水流推进动力装置2和底座组成，水槽1为环形跑道状，包括外壁和内壁，其中外壁由第一外壁圆弧段101、第一外壁直槽段102、第二外壁圆弧段103和第二外壁直槽段104组成，内壁由第一内壁圆弧段105、第一内壁直槽段106、第二内壁圆弧段107和第二内壁直槽段108组成，第一外壁直槽段102、第二外壁直槽段104、第一内壁直槽段106和第二内壁直槽段108均为长150cm、高100cm、厚1cm的长方形有机玻璃板，相互平行设置；两端圆弧段均采用厚1cm的半圆形有机玻璃板，其中第一外壁圆弧段101和第二外壁圆弧段103的半径为100cm，相互对称设置，第一内壁圆弧段105和第二内壁圆弧段107的半径为40cm，也相互对称设置，内、外壁的直槽段与两端圆弧段的有机玻璃板相切，用强力胶粘合缝口，整个水槽1固定于与水槽横断面同尺寸的有机玻璃板制成的底座上，底座包括第一支架301和第二支架302，分别设置在水槽1两圆弧端的底部，均为三角支撑结构。

在本实施例中，水流推进动力装置2包括底箱202、转轮板203、转轴204、电机和控制器201，水槽(1)一侧的直槽段起始端设置有与水槽1宽度相等，长50cm，高30cm的底箱202，用于放置转轮，转轴204设置在圆弧段和直槽段交接处的直槽段上。如图3所示，底箱202的顶部与水槽1的底部相连，转轴204与水槽1的底部位于同一平面，并且垂直于水槽1的直槽段，这就使得由若干转轮板203组成的转轮的上半部分位于水槽1内，下半部分位于底箱202内；转轴204的一端与电机相连，变频调速器201通过导线电路与电机相连接，控制电机的输出功率(电机内部设置有变频装置，转速保持稳定，不会随电压的变化而变化)。

如图5所示，现有常用的水流推进装置-叶轮一般是由沿水槽宽度方向上平行布置的若干个圆盘组成，圆盘等间距分布，各个圆盘固定在一根过圆心的水平轴上，在每块圆盘两侧沿半径方向各粘贴若干短齿，相邻短齿之间成一定的角度，并且相邻圆盘的短齿交错设置，这样设置的目的是减少与水体的直接接触面积，以降低水体紊动，同时由于相邻两圆盘粘贴的短齿交错布置，产生的波浪相互叠加、削弱，达到控制水面的波浪高度、缩短波浪影响区域的目的。在发明中，也可采用这种叶轮的设计，但该设计的叶轮电机效率很低。

如图3和图4所示，在本发明中，转轴204的圆周方向上均匀设有M排转轮板203，每个转轮板203的尺寸为长20cm、宽3cm、厚0.5cm，转轮板203呈等间隔辐射状分布，每排转轮板203沿转轴204的轴线方向设置，每排设有N个转轮板203，其中M≥2，N≥1。在本实施例中，M为8，N为5与4间隔取值，需要指出的是，由于转轮板203是活动插接在转轴204上的，所以可根据所需要的流速大小增加或减少转轮板，只需满足整个转轮对称即可。

本发明通过可调电机驱动水槽底部的转轮产生剪切力带动槽内水流运动，实现槽内流速由底层向表层递增，符合天然河道垂向流速特性；本发明将转轴设置在与水槽的底部位于同一平面，如果转轴位于槽底平面以上的话，转轴下部分产生的流场与上部分正好相反，对水流结构影响大，不符合天然河道的分布特征，如果转轴位于槽底平面以下，又会降低电机的工作效率，造成不必要的能源浪费；同时，为减弱环形水槽的二次流及流速沿径向分布不均等特性，环形水槽设有直槽段，增加直线流程，使流速沿横向分布趋于均匀；此外，通过调整电机的转速，可实现不同流速条件下的模拟实验。

本发明的用于模拟明渠水动力特征的底部驱动型环形水槽装置的操作方法，包括以下步骤：

1)对水槽1进行蓄水，使水面高出转轮板203的最上端3～5cm；

2)打开控制器201，调整电机转速为1～50r/min；

3)待水槽1内水流达到稳定后，选择直槽段起始点下游1个以上的位置，调节测点与水槽底部的距离，分别进行流速测定；

4)调整控制器201，使电机转速为51～100r/min，重复步骤3)的操作，得到模拟明渠水动力特征数据。

需要说明的是，本装置的一般电机转速为0～100r/min，也可根据需要更换更大功率的电机；步骤2和步骤4选择1～50r/min和51～100r/min，并非限定转速只能在这两个范围内，而是为了说明步骤2和步骤4的电机转速存在一定差异即可。

验证本实施例的环形水槽装置是否符合天然河道垂向流速特性，采用上述操作步骤，得到表1和表2的数据，其中表1和表2分别为电机不同转速条件下，A(位于无转轮一侧直槽段起始点下游100cm处)、B(位于无转轮一侧直槽段起始点下游130cm处)断面处的水体流速垂向分布。

表1电机不同转速条件下A断面中心线水体流速垂向分布

表2电机不同转速条件下B断面中心线水体流速垂向分布

以流速(m/s)为横坐标，测点与水槽底部的距离(m)为纵坐标，将实验数据与普朗特(Prandtl)经典理论明渠流速分布对数曲线拟合，结果如图6～图9所示。

结果显示，实验数据与普朗特(Prandtl)经典理论明渠流速分布对数曲线拟合程度较好，说明本发明的装置能较好的模拟天然河道垂向流速特性，可以用于天然河道内水体沉积物的相关研究。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。