[發明專利]一種用于模擬明渠水動力特征的水槽裝置及操作方法

有效

• 申請號: 201711059444.2
• 申請日: 2017-11-01
• 公開（公告）號: CN107817087B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 韓龍喜;張奕;陳博;孫明園
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發明公開了一種用于模擬明渠水動力特征的水槽裝置及操作方法，屬于環境流體力學領域。本發明通過可調電機驅動水槽底部的轉輪產生剪切力帶動槽內水流運動，實現槽內流速由底層向表層遞增，符合天然河道垂向流速特性；同時，為減弱水槽的二次流及流速沿徑向分布不均等特性，在水槽中設置一段直槽段，增加直線流程，使流速沿橫向分布趨于均勻。本發明不僅可以用于水流、水動力特性的研究，還可應用于水質、水環境等相關機理試驗。其技術優勢在于：水槽固定，由底部轉輪帶動水流運動，更符合天然河道垂向流速特性，裝置構造和控制系統簡單，成本較低，試驗可操作性強。

技術領域

本發明屬于環境流體力學領域，更具體地說，涉及一種用于模擬明渠水動力特征的水槽裝置及操作方法。

背景技術

近幾十年來，水體沉積物研究一直是環境學科和水利學科共同關注的課題，研究外部動力擾動對沉積物的影響主要采用野外觀測和室內模擬這兩類方法。野外觀測由于風浪、水流等條件的隨機性和不可控性太強，常常產生較大的系統誤差，給理論分析帶來較大限制，因此一般僅用作調查和驗證研究。目前開展相關基于動力學機制的理論研究常常是利用室內模擬方法，模擬的關鍵涉及外部動力擾動模擬與天然水體模擬兩方面。其中，模擬外部動力擾動的常用方法可分為旋槳式、活塞式、振蕩式、造波式和鼓風式，模擬天然水體的常用方法可分為三角瓶式、直管式和水槽式三種。

模擬外部動力擾動的方法中，旋槳式是通過旋槳在水中擾動帶動水體運動進而引起沉積物懸浮，該方法受施力的局限性，會導致水體受力不均勻；活塞式是利用活塞在水中上下往復運動造成對沉積物表層的擾動從而產生懸浮，該方法的水流方向與天然水體差異較大；振蕩式是通過振蕩器的振蕩作用使沉積物發生懸浮，其流速在垂向分布上不符合天然河道的特征；造波式是利用造波機造出的波浪擾動沉積物使其產生懸浮，與實際情況接近，但是造波裝置復雜且成本較大；鼓風式難以準確調整鼓風口位置及其與水表面的夾角，也不利于實驗的開展。

模擬天然水體的方法中，三角瓶式、直管式模擬天然水體顯然具有相當大的局限性，不能反映出水體的流場狀況，水槽式模擬可以與實際情況接近。因此，室內水槽裝置是開展外部動力擾動作用下沉積物中污染物釋放的發生過程與機理研究的重要設備。水槽按形狀主要包括直水槽、環形水槽、折返式直水槽。其中環形水槽具有占地小、成本低的特點，并且不需要設置貯水箱和回流裝置，無入流口和流出口的影響，因此環形水槽在研究水動力特性、水質、水環境相關機理中有著廣泛的應用。目前已有的環形水槽多是研究湖泊風生流影響下的沉積物，如公開日為2014年5月28日的中國專利201320818449.X，驅動裝置位于水體表面，裝置與水體接觸的部分較小，同等功率情況下形成的水流流速較小，電機功效不高。又如公開日為2017年9月29日的中國專利201710356492.1公開了一種用于環境與生態水力學流速試驗模擬裝置及方法，它的流速發生裝置由變頻器、變頻電機、尼龍塑料棒、傘形齒輪組、塑料材質船用螺旋槳、臥式軸承組成，所述螺旋槳與水面平行設置，這種模擬方式會出現旋槳所在的平面流速大而其他地方較小，水流結構與天然河道存在較大差異。

發明內容

1.要解決的問題

針對現有水槽裝置在模擬外部動力擾動的方法、模擬天然水體的方法上所存在的缺陷，本發明提供一種用于模擬明渠水動力特征的水槽裝置及操作方法，真實地模擬天然河道垂向流速特性，本發明的水槽裝置可以模擬水體運動引起沉積物再懸浮的過程，滿足流場運動-沉積物釋放或再懸浮之間定量關系的研究需求，具有構造簡單、造價便宜、使用方便的優點。

2.技術方案

為了解決上述問題，本發明所采用的技術方案如下：

一種用于模擬明渠水動力特征的水槽裝置，包括水槽、水流推進動力裝置和底座，所述水槽為環形跑道狀，所述水流推進動力裝置包括底箱和轉輪，所述底箱為頂部具有開口的容器，其頂部與水槽的底部相連；所述轉輪包括轉軸以及沿著所述轉軸的中心軸線延伸且均勻地設置在所述轉軸的圓周表面上的多個轉輪板，所述轉軸與所述水槽的底部位于同一平面，所述底座用于保持所述環形水槽裝置的平衡。