[發(fā)明專利]溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310320103.1
• 申請(qǐng)日: 2013-07-26
• 公開（公告）號(hào): CN103424240A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 安瑞冬;李嘉;李克鋒;易文敏;李然;鄧云;梁瑞峰;脫友才;蔡俊馳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號(hào): G01M10/00
• 分類號(hào): G01M10/00;E02B1/02
• 代理公司: 成都科海專利事務(wù)有限責(zé)任公司 51202
• 代理人: 劉雙蘭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水庫異重流模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，特別涉及一種水利工程中水庫溫差-泥沙耦合異重流模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，屬于水利水電工程設(shè)施領(lǐng)域。

背景技術(shù)

兩種或者兩種以上比重相差不大、可以相混的流體，因比重的差異而發(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即如果一種流體沿著交界面的方向流動(dòng)，在流動(dòng)過程中不與其它流體發(fā)生全局性摻混現(xiàn)象的流動(dòng)稱為異重流。水庫水溫在一年中的高溫季節(jié)如夏、秋兩季經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生垂向水溫分層現(xiàn)象，其溫度的不同造成水體的密度在垂向出現(xiàn)差異，當(dāng)泥沙異重流進(jìn)入到這種水體后，由于受浮力差的影響，異重流的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到水庫自身密度差的影響。這種現(xiàn)象在國內(nèi)外的水庫也有相關(guān)記錄，如美國Mead湖，由于水庫自身的水溫分層，使得來流含沙水體在水庫中形成了在中層行進(jìn)的異重流現(xiàn)象。在國內(nèi)的新安江水庫，研究者通過對(duì)水體濁度分析也曾觀測到壩前中層較表層和底層水體更渾濁的現(xiàn)象。

隨著中國水電建設(shè)迅猛發(fā)展，水庫大量出現(xiàn)，特別是水能資源豐富的西南地區(qū)。而這一地區(qū)的含沙量較低，據(jù)資料記載平均在1kg/m³，這種低含沙量的水體在水庫形成異重流之后就特別容易受到水庫自身垂向水溫分層的影響。因此，在對(duì)這些地區(qū)進(jìn)行異重流分析時(shí)，必須要結(jié)合溫度來分析。目前，這方面問題已經(jīng)開始得到許多研究者的關(guān)注和研究。90年代，李懷恩就根據(jù)馮家山水庫的實(shí)測資料分析了泥沙異重流對(duì)水庫垂向水溫結(jié)構(gòu)的影響（泥沙異重流對(duì)水庫水溫分布的影響--實(shí)例分析，李懷恩）。近年來，水溫分層水槽試驗(yàn)已經(jīng)在室內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)，高學(xué)平等利用水槽實(shí)現(xiàn)了水溫分層水庫的室內(nèi)試驗(yàn)，并對(duì)水電站多層取水進(jìn)行了研究。但對(duì)影響水溫分層的室內(nèi)研究較少，張小峰，曹巧麗等曾利用高錳酸鉀溶液成功模擬了水溫分層環(huán)境下的異重流室內(nèi)試驗(yàn)研究[《分層水庫異重流試驗(yàn)》，武漢大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版，2011.8月，第44卷第四期]，分析了由污染物引起的異重流在水溫分層環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)情況。現(xiàn)有溫差異重流研究中對(duì)室內(nèi)異重流實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測技術(shù)還亟待提高，為了更準(zhǔn)確全面的認(rèn)識(shí)和探討溫差異重流的水動(dòng)力學(xué)特性，因此，有必要對(duì)溫差-泥沙耦合異重流的進(jìn)一步研究與分析，以實(shí)施監(jiān)測異重流各斷面的流速、溫度垂線分布等技術(shù)問題。

目前，通過物理模型試驗(yàn)，不僅可為溫差異重流理論分析提供定量數(shù)據(jù)，也是解決工程中異重流課題的重要手段，而模型規(guī)律問題是進(jìn)行異重流實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問題。利用異重流特性，在水庫減淤，給水排水工程設(shè)計(jì)與運(yùn)用等方面可獲得很大效益。在多沙河流上修建蓄水水庫和水電站時(shí)，設(shè)置排沙洞底孔解決水庫泥沙問題，合理運(yùn)用在庫底運(yùn)動(dòng)的渾水異重流可把泥沙排走，減少水庫淤積，是水庫減淤的主要措施；在給水工程中，根據(jù)異重流特性設(shè)計(jì)沉淀池，有利于泥沙落淤，可獲得較好的水質(zhì)。由于溫度差異所造成的密度差異有限，且溫控措施較困難，因此在實(shí)驗(yàn)室的小尺度下模擬相對(duì)大尺度水庫的穩(wěn)定溫度分層環(huán)境并對(duì)分層強(qiáng)度進(jìn)行控制一直都是研究難題。

?通過概化模型模擬試驗(yàn)對(duì)溫差-泥沙異重流的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，通過試驗(yàn)工況中的水溫分層現(xiàn)象，獲得了中層和底層出口下的垂向水溫分布，分離點(diǎn)深度和間層流厚度等數(shù)據(jù)，為水溫分層環(huán)境下的水庫泥沙異重流的試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)，主要通過以下三點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)：

1、通過加熱裝置和合理的加熱方式，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)較好地模擬了水庫水體的溫度分層。但這種研究也只局限于溫度異重流，并沒有綜合考慮泥沙對(duì)異重流的影響。

2、通過室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)來模擬泥沙異重流主要是因?yàn)槭墁F(xiàn)有觀測手段的限制，室外原型觀測水溫對(duì)分層環(huán)境下的泥沙異重流的影響有較大難度。國內(nèi)外的研究表明，實(shí)驗(yàn)室利用水槽進(jìn)行泥沙異重流的試驗(yàn)較為成熟，泥沙本身的特性決定了渾水異重流在水溫分層水體中的運(yùn)動(dòng)問題的復(fù)雜性，包括泥沙顆粒本身的沉降問題；泥沙異重流遇到水溫分層水體后的穩(wěn)定性問題；離底點(diǎn)與潛入點(diǎn)的清混水摻混現(xiàn)象等；中、表層異重流前鋒形狀；異重流垂向擴(kuò)散問題以及環(huán)境水體溫度受泥沙異重流的作用等問題都需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析和解決。

3、國內(nèi)外對(duì)溫差-泥沙異重流的實(shí)驗(yàn)研究還比較少，因此對(duì)溫差和泥沙異重流的耦合性還應(yīng)該作進(jìn)一步的研究與分析.

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的正是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷和不足，提出一種溫差-泥沙耦合異重流模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作使用方便；通過該模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)減少了以往在異重流試驗(yàn)階段加熱裝置對(duì)水槽內(nèi)流場的干擾，成功實(shí)現(xiàn)了泥沙異重流在水溫分層水體的運(yùn)動(dòng)過程；不僅實(shí)現(xiàn)了水溫垂向分層影響下，泥沙異重流在水槽中層與表層行進(jìn)的特有現(xiàn)象，而且還能提高對(duì)異重流分析與研究的可靠性和準(zhǔn)確性。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明是采用由以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。