专利名称：温差倒灌异重流发生及运动规律的试验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种温差倒灌异重流发生及 运动规律的试验装置及方法。
背景技术：
异重流的发现和研究由来己久，按照其底坡相对于异重流运动方向的不同，可分为顺坡异重流和反坡异重流。迄今为止，从理论分析、模型试验到数值模拟等方面，国内外学者对顺坡异重流开展了大量研究，成果也在工程实践中得到了广泛应用，取得了显著效益。由于反坡异重流的普遍性和规模本身没有顺坡异重流广泛，因而目前对反坡异重流的研究尚不多见。在对三峡水库及典型支流库湾长期研究中发现，由于三峡水库蓄水后，支流回水区表底温差显著，干支流存在水温差及泥沙浓度差，因此干流水体以倒灌异重流形式进入库湾，使得大部分支流库湾存在明显的反坡倒灌异重流。倒灌异重流的存在使干、支流间水体交換量及影响范围増大，水体的交換可改变支流水流特性、营养盐浓度及分布、光学特性、水温分层等，从而改变支流库湾水体富营养化和水华情势。目前对普遍存在支流库湾中的倒灌温差异重流除了现场监测及数值模拟等初歩分析之外，有必要在室内重现倒灌异重流现象，进ー步认识和研究倒灌异重流的产生条件和运动规律。
发明内容
本发明的目的是提供一种温差倒灌异重流发生及运动规律的试验装置及方法，既能重现野外监测到的温差倒灌异重流现象，也能弥补野外监测时效性和同步性的不足以及监测能力的限制，精细分析倒灌异重流的产生条件和运动规律。本发明的目的是这样实现的一种温差倒灌异重流发生及运动规律试验装置，包括供水装置和试验水槽，试验水槽由进水段、观测段和尾水段构成，试验水槽的槽底为坡状，在进水段与观测段之间设置有隔板，在进水段与供水装置连接处的进水口设置有消能栅，在尾水段设有排水管，在观测段段面上设有流速仪和温度记录监控器，在试验水槽ー侧设置有摄像机滑道，在试验水槽另ー侧设有多个监控相机。隔板采用有机玻璃制成，在其两侧设有密封条，隔板可在试验水槽内上下滑动。供水装置由ー个配水塔和配水箱构成，在配水塔内装有加热装置，用来加热试验用水。槽底是一沿水流方向逆向且坡度可变的底坡，槽底由有机玻璃盖板和砂质底坡构成。一种进行底部倒灌异重流试验的方法，包括以下步骤
(O入侵水体配制将冰块溶解在配水箱的清水中，调至试验所需温度，再加入高锰酸钾染色；
(2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板，向进水段水体中加入冰块和高锰酸钾，使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致；
(3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位，并由专人进行拍摄；摄像机放入专用支架；
(4)进行试验并观测选择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。一种进行表层倒灌异重流试验，包括以下步骤
Cl)入侵水体配制将热水与常温水混合，得到水温高于常温水的混合水体，再加入高锰酸钾染色；
(2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板，向进水段水体中加入 冰块和高锰酸钾，使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致；
(3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位，并由专人进行拍摄；摄像机放入专用支架；
(4)进行试验并观测选择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。ー种进行中层倒灌异重流试验，包括以下步骤
(1)入侵水体配制需配制两种入侵水体，入侵水体A和入侵水体B，先将冰块溶解在配水箱的清水中，调至试验所需低于常温的较低温度，不加高锰酸钾，得到入侵水体A ;入侵水体B的配制是在完成入侵水体A的底部倒灌后再配制，其温度与进水段温度一致，温度介于水槽环境水体与表底水温之间，并加入设计用量的高锰酸钾对其染色；
(2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上隔板，向进水段水体中加入适量冰块，调节其温度与水箱中入侵水体A—致，随即进行一次底部倒灌异重流；待水槽沿程及沿深度形成稳定的水温分层时，再插上有机玻璃挡板，搅匀进水段中的水体，待温度稳定后加入适量高锰酸钾，此时进水段水体的温度及高锰酸钾浓度与入侵水体B相同；
(3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位进行拍摄；摄像机放入专用支架；
(4)进行试验并观测择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。本发明提供的温差倒灌异重流发生及运动规律试验装置及试验方法，既能重现野外监测到的温差倒灌异重流现象，也能弥补野外监测时效性和同步性的不足以及监测能力的限制，精细分析倒灌异重流的产生条件和运动规律。为深化认识如三峡水库支流库等水域的湾倒灌异重流以及基于该水动カ特性的水华暴发机理提供水力学基础，为探索通过水库生态调度来改变支流的水动カ条件以达到改善库湾水质及抑制水华发生提供支撑。本发明通过室内模拟即可较好的重现野外监测到的不同形态的温差倒灌异重流现象，精细分析倒灌异重流的产生条件和运动规律，弥补野外监测时效性和同步性的不足以及监测能力的限制，同时克服数值模拟自身的不确定性和复杂性，并为进一歩数值模拟提供更清楚的动力学背景认识及充分的率定资料。本发明所提供的方法简单，装置花费较少，且可填补目前超大型水库支流库湾倒灌异重流试验研究中的空白。
下面结合附图和实施例对本发明作进ー步说明。图I是本发明的结构示意图。图2是图I的A-A剖面图。图3是图2的B-B剖面图。图4是图I的隔板结构示意图。
具体实施例方式本发明的原理是构建全透明玻璃直道矩形断面逆坡明渠水槽，配有相应的冷、热水配制系统及进水动カ装置。试验水槽由进水段(模拟长江干流)、观测段(模拟典型支流库湾)与尾水段三部分组成，底坡可实现坡度升降变化；在进水段与观测段之间设置有机玻璃隔板(模拟典型支流库湾与长江干流的交汇ロ)；另外，在进水段与水箱或水塔连接处的进水口设置有适当的消能设施，以便入流平稳。试验时，配水箱入侵水体利用外源动カ装置抽入水槽的进水段补给倒灌异重流的入侵水体，在试验水槽观测段架设多普勒三维点式流速仪和多通道温度记录监控器，借助DV摄像机移动跟踪拍摄结合固定位置的照相机一起形成观测段观测系统。以初始水位、入流量、温度差这三个主导因子为基本变量，设计一系列典型エ况，总体分四步即入侵水体配制、水槽环境水体准备、观测仪器设备调试、进行试验并观测，便可在试验水槽中重现底部、中层和表层温差倒灌异重流现象，并研究倒灌异重流的产生及运动规律。本发明的结构如图I 一 4所示，一种温差倒灌异重流发生及运动规律试验装置，包括供水装置和试验水槽I，试验水槽I由进水段、观测段和尾水段构成，试验水槽的槽底2为坡状，在进水段与观测段之间设置有隔板3，在进水段与供水装置连接处的进水口设置有消能栅4，在尾水段设有排水管5，在观测段不同的段面对应位置上设置流速仪6和温度记录监控器7，在试验水槽I 一侧设置有摄像机滑道8，在试验水槽I另ー侧设有多个监控相机9。隔板3采用有机玻璃制成，在其两侧设有密封条10，隔板3可在试验水槽内上下滑 动。供水装置由ー个配水塔11和配水箱12构成，在配水塔11内装有加热装置13，用来加热试验用水。加热装置13采用加热棒。槽底2是ー沿水流方向逆向且坡度可变的底坡，槽底2由有机玻璃盖板14和砂质底坡构成。以下为本发明的ー个结构实例
在图I中，试验水槽I长1000 Cm，宽30 cm。试验水槽由进水段(模拟长江干流)、观测段(模拟典型支流库湾)与尾水段三部分组成。其中，进水段长150 cm，在进水段与观测段之间设置有机玻璃隔板3(模拟典型支流库湾与长江干流的交汇ロ)，有机玻璃隔板3可上下平稳抽动；另外，在进水段与水箱或水塔连接处的进水口设置有消能栅，以便入流平稳。观测段总长421 cm，共分a, b，c, d, e, f, g，h八个观测断面，分别布设在距隔板71、121、171、221、271、321、371和421 cm处。水槽其余部分为尾水段，末端安装溢水管来控制水槽水位。在第I观测断面架设挪威产声学多普勒三维点式流速仪以监测进水段水体潜入观测段时潜入段附近流速大小；在第5观测断面附近架设32通道温度记录监控器，用以分层监测各个断面 不同深度水温变化；在水槽一侧设置摄像机专用滑道，用DV摄像机对异重流头部进行移动跟踪拍摄，以记录异重流头部到达各监测断面的所用时间；在水槽另ー侧布置三个相机，每隔10 s左右同步记录一次各监测断面倒灌异重流厚度。外置配水系统包括ー个配水塔和水箱。水塔长250 cm，断面尺寸为250X50 cm,用于提供试验常温水，并在水塔内装配4根大功率电热棒，用来加热试验用水，主要用于表层倒灌异重流试验。配水箱尺寸为75X50X75 cm，塑料材质，用来配置底部及中层倒灌异重流的入侵冷水及表层倒灌异重流的入侵热水。在图2中，可见试验水槽玻璃边壁，底部沿水流方向逆向且可变的底坡，底坡上覆盖有机玻璃盖板。有机玻璃挡板将水槽进水段与观测段隔开，进水段放置消能栅；观测断面沿深度方向布设水温监控探头。将流速仪架在异重流潜入点附近，流速仪高度可升降，用于监测倒灌异重流潜入点流速变化。水塔总高250 cm，其中底座100 cm，以便水塔中水体能自流进水槽及配水箱，同时水塔中布设加热棒。在图3中，可见水槽砂质可变底坡及其上覆盖的有机玻璃盖板，盖板防止倒灌异重流冲刷砂质底坡，影响底坡型态和坡比。配水箱高75 cm，在配水箱中放置潜水泵，将试验有颜色冷水或热水通过进水管泵入水槽进水段，水泵出水管内径均为2 cm,水管出口向下，放置在水槽内消能栅左侧，补给倒灌异重流入侵水体，模拟三峡水库蓄水过程(即水位上升过程)。图4详图可见有机玻璃挡板100X30X6 mm，将水槽进水段与观测段隔开，模拟典型支流库湾与长江干流的交汇ロ，有机玻璃隔板可上下平稳抽动，实现进水段水体的入侵过程。同时有机玻璃挡板卡槽中有密封橡胶，可防止挡板抽掉前进水段水体进入观测段，影响试验效果。利用本发明提供的装置进行底部倒灌异重流试验的方法，包括以下步骤
(O入侵水体配制将冰块溶解在配水箱的清水中，调至试验所需温度，再加入高锰酸钾染色；
(2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板，向进水段水体中加入冰块和高锰酸钾，使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致；
(3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位，并由专人进行拍摄；摄像机放入专用支架；
(4)进行试验并观测选择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。利用本发明提供的装置进行表层倒灌异重流试验，包括以下步骤
Cl)入侵水体配制将热水与常温水混合，得到水温高于常温水的混合水体，再加入高锰酸钾染色；
(2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板，向进水段水体中加入冰块和高锰酸钾，使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致；
(3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位，并由专人进行拍摄；摄像机放入专用支架；
(4)进行试验并观测选择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持 续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。利用本发明提供的装置进行中层倒灌异重流试验，包括以下步骤
(1)入侵水体配制需配制两种入侵水体，入侵水体A和入侵水体B，先将冰块溶解在配水箱的清水中，调至试验所需低于常温的较低温度，不加高锰酸钾，得到入侵水体A ;入侵水体B的配制是在完成入侵水体A的底部倒灌后再配制，其温度与进水段温度一致，温度介于水槽环境水体与表底水温之间，并加入设计用量的高锰酸钾对其染色；
(2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上隔板，向进水段水体中加入适量冰块，调节其温度与水箱中入侵水体A—致，随即进行一次底部倒灌异重流；待水槽沿程及沿深度形成稳定的水温分层时，再插上有机玻璃挡板，搅匀进水段中的水体，待温度稳定后加入适量高锰酸钾，此时进水段水体的温度及高锰酸钾浓度与入侵水体B相同；
(3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位进行拍摄；摄像机放入专用支架；
(4)进行试验并观测择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。上述试验中所用的高锰酸钾浓度为O. 01 g/L，经验算，该浓度对两种水体密度差的影响可忽略不计。
权利要求
1.一种温差倒灌异重流发生及运动规律试验装置，包括供水装置和试验水槽(I)，其特征在于试验水槽(I)由进水段、观测段和尾水段构成，试验水槽的槽底(2)为坡状，在进水段与观测段之间设置有隔板(3)，在进水段与供水装置连接处的进水口设置有消能栅(4)，在尾水段设有排水管(5)，在观测段段面对应位置上设有流速仪(6)和温度记录监控器(7 )，在试验水槽(I) 一侧设置有安装摄像机的摄像机滑道(8 )，在试验水槽(I)另ー侧设有多个监控相机(9)。
2.根据权利要求I所述的温差倒灌异重流发生及运动规律试验装置，其特征在于隔板(3)采用有机玻璃制成，在其两侧设有密封条(10)，隔板(3)可在试验水槽内上下滑动。
3.根据权利要求I所述的温差倒灌异重流发生及运动规律试验装置，其特征在于供水装置由ー个配水塔(11)和配水箱(12 )构成，在配水塔(11)内装有加热装置(13 )，用来加热试验用水。
4.根据权利要求I所述的温差倒灌异重流发生及运动规律试验装置，其特征在于槽底(2)是ー沿水流方向逆向且坡度可变的底坡，槽底(2)由有机玻璃盖板(14)和砂质底坡构成。
5.利用权利要求I所述的装置进行底部倒灌异重流试验的方法，其特征在于包括以下步骤 (O入侵水体配制将冰块溶解在配水箱的清水中，调至试验所需温度，再加入高锰酸钾染色； (2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板，向进水段水体中加入冰块和高锰酸钾，使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致； (3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位，并由专人进行拍摄；摄像机放入专用支架； (4)进行试验并观测选择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。
6.利用权利要求I所述的装置进行表层倒灌异重流试验，其特征在于包括以下步骤 Cl)入侵水体配制将热水与常温水混合，得到水温高于常温水的混合水体，再加入高锰酸钾染色； (2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上有机玻璃挡板，向进水段水体中加入冰块和高锰酸钾，使其温度及水体浓度均与配水箱中水体一致； (3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位，并由专人进行拍摄；摄像机放入专用支架； (4)进行试验并观测选择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。
7.利用权利要求I所述的装置进行中层倒灌异重流试验，其特征在干包括以下步骤 (1)入侵水体配制需配制两种入侵水体，入侵水体A和入侵水体B，先将冰块溶解在配水箱的清水中，调至试验所需低于常温的较低温度，不加高锰酸钾，得到入侵水体A ;入侵水体B的配制是在完成入侵水体A的底部倒灌后再配制，其温度与进水段温度一致，温度介于水槽环境水体与表底水温之间，并加入设计用量的高锰酸钾对其染色； (2)水槽环境水体准备待水槽中清水静置后插上隔板，向进水段水体中加入适量冰块，调节其温度与水箱中入侵水体A —致，随即进行一次底部倒灌异重流；待水槽沿程及沿深度形成稳定的水温分层时，再插上有机玻璃挡板，搅匀进水段中的水体，待温度稳定后加入适量高锰酸钾，此时进水段水体的温度及高锰酸钾浓度与入侵水体B相同； (3)观测仪器设备调试将流速仪架在异重流潜入点附近，设置好參数；同吋，检查每个断面处的温度计探头放入深度是否合理，并校正温度监控器读数；将照相机放在固定的机位进行拍摄；摄像机放入专用支架； (4)进行试验并观测择试验所需功率潜水泵，放入配水箱，然后抽去隔板并启动潜水泵，用摄像机沿滑道移动跟踪拍摄异重流头部，以记录异重流到达各断面的所用时间，每隔一定时间同步记录一次各断面倒灌异重流厚度，试验后应用图像识别技术读取倒灌异重流潜入过程中头部到达各观测断面时间及沿程厚度等资料，流速仪及温度监控器则分别持续记录潜入点附近异重流流速及各断面分层温度。
全文摘要
一种温差倒灌异重流发生及运动规律的试验装置及方法。主要是构建全透明玻璃直道矩形断面逆坡明渠水槽，配有相应的冷、热水配制系统及进水动力装置。在试验水槽观测段架设流速仪和温度记录器，借助摄像机移动跟踪拍摄结合固定位置的照相机一起形成观测段观测系统监测倒灌异重流潜入点、头部、运动过程的水力学及温度参数。该装置和方法可弥补野外监测时效性和同步性的不足，为进一步数值模拟分析提供背景认识及数据支撑。为深化认识水库支流库湾倒灌异重流以及基于该水动力特性的水华暴发机理，探索通过水库生态调度来改变支流的水动力条件以达到改善库湾水质及抑制水华发生提供支撑。
文档编号E02B1/02GK102865994SQ20121031742
公开日2013年1月9日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者刘德富, 纪道斌, 曹巧丽, 杨正健, 黄钰铃, 马骏, 胡念三 申请人:三峡大学