[發(fā)明專利]一種動(dòng)水沉速試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610457439.6
• 申請(qǐng)日: 2016-06-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107525749A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 萬(wàn)遠(yuǎn)揚(yáng);王巍;沈淇;邱治興
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海河口海岸科學(xué)研究中心
• 主分類號(hào): G01N15/04
• 分類號(hào): G01N15/04
• 代理公司: 上海三和萬(wàn)國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)31230
• 代理人: 王建崗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種動(dòng)水沉速試驗(yàn)設(shè)備及其試驗(yàn)方法，具體應(yīng)用于水利、海洋、水運(yùn)工程科研領(lǐng)域的顆粒動(dòng)水沉降密實(shí)試驗(yàn)。

背景技術(shù)

已有大量研究表明，對(duì)于細(xì)顆粒泥沙或者粘性泥沙而言，當(dāng)天然非均勻泥沙中粘性成分占一定比例后，泥沙的沉降特性會(huì)發(fā)生顯著而復(fù)雜的變化。水溫、水質(zhì)、鹽度、水流脈動(dòng)(紊動(dòng))、含沙量等水體環(huán)境對(duì)沉速有著重要的影響，清水、靜水中的沉速對(duì)細(xì)顆粒而言參考價(jià)值不大。為解決實(shí)際運(yùn)動(dòng)水流環(huán)境中的泥沙沉降速度與沉降筒內(nèi)沉降速度的差異，在相關(guān)文獻(xiàn)中，常可見(jiàn)“動(dòng)水沉速”這個(gè)概念；或者在若干數(shù)值模擬中，甚至人為引入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，考慮所謂對(duì)靜水沉速的修正，認(rèn)為在實(shí)際的水流紊動(dòng)環(huán)境中，泥沙的自然下降速度會(huì)因水流運(yùn)動(dòng)而改變。所謂紊動(dòng)對(duì)沉速的影響或修正，從微觀來(lái)講，是由于渦團(tuán)尺度或者紊動(dòng)動(dòng)能的改變使得垂向紊動(dòng)擴(kuò)散能力和流體的紊動(dòng)粘性有所變化，這會(huì)加強(qiáng)或者減弱泥沙顆粒的碰撞概率，影響絮團(tuán)尺寸和結(jié)構(gòu)。在一定的紊動(dòng)強(qiáng)度范圍內(nèi)水流紊動(dòng)會(huì)增強(qiáng)絮凝導(dǎo)致沉速增加(動(dòng)水沉速大于靜水沉速)；當(dāng)紊動(dòng)強(qiáng)度超過(guò)一定范圍時(shí)，紊動(dòng)就會(huì)對(duì)泥沙絮團(tuán)或絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞效應(yīng)，導(dǎo)致沉速減弱，即動(dòng)水沉速小于靜水沉速。目前，我們對(duì)這個(gè)物理過(guò)程的了解還很不深入，大多都只能通過(guò)簡(jiǎn)單現(xiàn)象或概化過(guò)程來(lái)描述，暫無(wú)法了解其詳細(xì)的微觀物理過(guò)程和相關(guān)機(jī)理。對(duì)于細(xì)顆粒泥沙沉降特性問(wèn)題，尤其是靜—?jiǎng)铀了賳?wèn)題的深入理解和研究有著迫切的需求。水流紊動(dòng)對(duì)細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降過(guò)程的影響是細(xì)顆粒泥沙動(dòng)力過(guò)程復(fù)雜性的核心體現(xiàn)之一。如何直接獲取水流紊動(dòng)條件下，細(xì)顆粒泥沙的沉降速度一直以來(lái)都是泥沙研究領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。對(duì)于該問(wèn)題的探討將在一定程度上補(bǔ)充我們對(duì)細(xì)顆粒泥沙機(jī)理和動(dòng)力過(guò)程的認(rèn)識(shí)。弄清楚水流紊動(dòng)對(duì)沉降速度的影響不僅能直接為物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬研究提供可靠、準(zhǔn)確的物理參數(shù)，同時(shí)也為我們分析相關(guān)細(xì)顆粒泥沙問(wèn)題提供一定參考。此外從我國(guó)海洋及水運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求出發(fā)，通過(guò)加大細(xì)顆粒泥沙基本特性問(wèn)題的相關(guān)基礎(chǔ)研究可期為探討諸如水庫(kù)淤積、航道回淤等問(wèn)題提供科學(xué)支撐。

以往沉降筒內(nèi)水流處于靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)法考慮水流流動(dòng)在微觀上引起的水質(zhì)點(diǎn)脈動(dòng)對(duì)泥沙沉降過(guò)程的影響。并且也有文獻(xiàn)采用環(huán)形水槽來(lái)測(cè)定動(dòng)水沉速(環(huán)形水槽法)，經(jīng)對(duì)比試驗(yàn)，環(huán)形水槽法主 要有如下不足：

(1)、沉降距離過(guò)短，一般只有50cm以內(nèi)，無(wú)法完全捕捉細(xì)顆粒泥沙的非等速沉降過(guò)程；

(2)、由于泥沙沉降速度的范圍一般在毫米級(jí)左右，環(huán)形水槽內(nèi)的垂向二次次生環(huán)流的誤差會(huì)大大干擾沉降速度的精度；

(3)、環(huán)形水槽內(nèi)的水流脈動(dòng)與實(shí)際水體中的水流脈動(dòng)存在差異；

(4)、槽內(nèi)泥沙沉降量難以精確統(tǒng)計(jì)；

(5)、槽內(nèi)的泥沙起動(dòng)會(huì)干擾泥沙沉降過(guò)程；

上述不足會(huì)直接導(dǎo)致沉速計(jì)算偏差較大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種便于研究和認(rèn)識(shí)水利紊動(dòng)條件下細(xì)顆粒沉降特性的動(dòng)水沉速試驗(yàn)裝置。

其所要解決的技術(shù)問(wèn)題可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)施。

一種動(dòng)水沉速試驗(yàn)裝置，包括沉降筒，以及：

可測(cè)量沉降筒內(nèi)水體流速的流速儀、

水深測(cè)量設(shè)備、

對(duì)沉降筒內(nèi)水體進(jìn)行加熱及溫度控制的加熱設(shè)備和溫度控制及檢測(cè)設(shè)備、

經(jīng)外部引入的高壓氣體對(duì)沉降筒內(nèi)水體進(jìn)行攪拌的氣體攪拌設(shè)備，

還包括可沿設(shè)定軌道于所述沉降筒內(nèi)以給定頻率和幅度上下振動(dòng)的格柵。

作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該裝置還包括可測(cè)量沉降筒內(nèi)水體含沙量的濁度儀。

也作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述上下振動(dòng)的格柵的柵格內(nèi)孔長(zhǎng)度和格網(wǎng)寬度比例約為5，柵格振動(dòng)頻率不大于10Hz。

其中，所述沉降筒為圓筒，其內(nèi)徑為0.4～1m，筒深為1.5～2.5m。

作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例之一，所述格網(wǎng)由邊長(zhǎng)為50mm的方格單元構(gòu)成。

還作為本技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述流速儀的輸出頻率為25Hz以上。

也作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例之一，所述加熱設(shè)備和溫度控制及檢測(cè)設(shè)備包括不銹鋼電熱棒、不 銹鋼防爆電熱棒、數(shù)字式電子溫度計(jì)。

還作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例之一，所述格柵為有機(jī)玻璃格柵。

本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問(wèn)題在于提供一種上述動(dòng)水沉速試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法。

為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種動(dòng)水沉速試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

(1)、在清水條件下，率定出格柵振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度與紊動(dòng)強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系；