一种模拟管道绕流及其冲刷的实验装置的制作方法

本发明涉及管道水毁模型实验的
技术领域：
，尤其是一种模拟管道绕流及其冲刷的实验装置。
背景技术：
：随着国内管道工程的快速发展，各类管道的里程数都迅速增长，诸如给水管道、排水管道、燃气管道、热力管道、长输油气管道等。目前各种管道分布广阔，沿线地质条件复杂，不可避免的会发生一些地质灾害，影响管道的安全运行。地质灾害对管道安全运行的危害日益严重，据统计约占运营期间事故率的12％-20％，而由“水”引发的地质灾害在管道沿线发育十分普遍。为深入研究地质灾害对管道安全运行的危害，国内高校与企业建立了多个地质灾害模拟实验平台，如防灾科技学院的滑坡灾害模拟系统、成都理工大学的油气管道滑坡模拟实验平台、东华理工大学的滑坡模拟实验平台、中石油管道科技中心的油气管道采空区模拟实验平台。上述地质灾害实验平台对研究管道地质灾害起到一定的推动作用，但目前尚无管道水毁模拟实验平台。基于上述情况，亟需建立一种模拟管道绕流及其冲刷的实验装置。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种模拟管道绕流及其冲刷的实验装置，通过控制河床介质、管道铺设方式、水流量这三个因素，模拟河流在穿越管道时的绕流及其对管道下部河床介质的冲刷作用。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟管道绕流及其冲刷的实验装置，包括：河床模型、循环机构、管道机构、观测机构。河床模型：包括四段U型槽，第一段长条形U型槽通过焊接与第二段半圆形U型槽连接，第二段半圆形U型槽通过焊接与第三段长条形U型槽连接，第三段长条形U型槽通过焊接与第四段半圆形U型槽连接；循环机构：包括供水箱、储水箱、水泵、输水管，所述供水箱通过焊接与河床模型的第一段U型槽端口连接，所述储水箱通过焊接与河床模型的第四段U型槽端口连接，所述水泵放置在储水箱底部，所述输水管一端与水泵泵头连接，另一端伸入供水箱中；管道机构：包括管道夹具、管道，所述管道夹具为一U型槽，倒挂在河床模型U型槽的槽壁上，左右各一个形成一对夹具，管道夹具在河床模型U型槽的槽壁上可以自由移动，U型槽的一侧插入一个螺栓，用于固定管道夹具在河床模型上的位置，U型槽的另一侧焊接一个圆环，可以将管道插入，固定管道；观测机构：包括高速摄像机，所述高速摄像机通过支架固定在管道正上方1m处，镜头正对管道。优选地，所述河床模型第一段长条形U型槽长为3m，槽宽0.5m，槽壁高0.3m，与水平夹角15°；第二段半圆形U型槽内径2m，外径3m，槽宽0.5m，槽壁高0.3m，水平放置；第三段长条形U型槽长为3m，槽宽0.5m，槽壁高0.3m，与水平夹角15°；第四段半圆形U型槽内径2m，外径3m，槽宽0.5m，槽壁高0.3m，水平放置。优选地，所述储水箱为2m×2m×0.5m的长方体铁质水箱，通过焊接与河床模型第四段U型槽端口连接，储水箱上表面完全开口，与第四段U型槽端口连接的一面，上半面开口下半面封闭，在储水箱底部装有变频水泵。优选地，所述供水箱为2m×2m×0.5m的长方体铁质水箱，供水箱上表面完全开口，与河床模型第一段U型槽端口连接的一面，上半面开口下半面封闭。优选地，所述管道夹具为一2cm长的U型槽，槽宽1cm，两侧高5cm，在U型槽的一侧开孔，插入一个螺栓，U型槽的另一侧焊接一直径10cm的圆环。优选地，所述输水管为内径25mm、外径32mm的生胶水管，长度为2.5m，水管一端与水泵泵头连接，另一端伸入供水箱中。优选地，所述河床模型第一段U型槽与循环机构供水箱通过焊接连接，第四段U型槽与循环机构储水箱通过焊接连接，储水箱与供水箱之间通过输水管连接，整个实验装置为一个闭合系统，在实验装置中加入水，打开水泵，水流便可以在实验装置内形成内循环。本发明还提出了一种模拟管道绕流及其冲刷的实验装置实验方法，应用上述装置，其包括以下实验步骤：a、选择所需模拟的河床类型，并将不同河床类型对应的河床介质均匀铺设于河床模型之上；(1)基岩河床，基岩河床的河床介质从上到下分为三层，依次为：①5cm厚的粒径为1-2cm的卵石层；②5cm厚的粒径为2-3cm的卵石层；③5cm厚的粒径为3-5cm的卵石层；(2)基岩-冲击混合型河床，基岩-冲击混合型河床的河床介质从上到下分为三层，依次为：①5cm厚的粒径为1-2mm的细沙层；②5cm厚的粒径为2-3mm的粗砂层；③5cm厚的粒径为1-2cm的卵石层；(3)冲积河床，冲积河床的河床介质从上到下分为三层，依次为：①5cm厚的粒径小于1mm的细沙层；②5cm厚的粒径为1-2mm的细沙层；③5cm厚的粒径为2-3mm的粗砂层；b、选择所需模拟的管道铺设方式；(1)管道与河流垂直，截取一内径8cm，外径9cm，长度为49cm的铁质管道，将管道插入管道夹具的圆环内，移动管道夹具在河床模型上的位置，使管道与河床夹角为90°，拧紧管道夹具上的螺栓，使管道夹具固定在河床模型上；(2)管道与河流夹角60°，截取一内径8cm，外径9cm，长度为57cm的铁质管道，将管道插入管道夹具的圆环内，移动管道夹具在河床模型上的位置，使管道与河床夹角为60°，拧紧管道夹具上的螺栓，使管道夹具固定在河床模型上；(3)管道与河流夹角45°，截取一内径8cm，外径9cm，长度为70cm的铁质管道，将管道插入管道夹具的圆环内，移动管道夹具在河床模型上的位置，使管道与河床夹角为45°。拧紧管道夹具上的螺栓，使管道夹具固定在河床模型上；c、在储水箱和供水箱中分别加入1/2的水，打开水泵，水通过输水管从储水箱中流入供水箱中，待供水箱中的水自然溢出流入河床模型，通过调节水泵的功率，实现对流量的调节；水泵功率50W60W70W80W90W100W水泵流量6000L/H7000L/H8000L/H9000L/H10000L/H12000L/Hd、整个水流循环起来后，启动高速摄像机，通过高速摄像机对管道及管道下部河床介质进行自动拍照记录，整个实验进行八小时，则一组实验结束；e、改变河床介质、管道铺设方式、水流量这三个因素开始下一组实验，重复步骤a-d。使用本发明，可以改变河床介质模拟基岩河床、基岩-冲击混合型河床、冲积河床；根据需要改变管道的铺设方式；通过调节水泵的功率实现对流量的控制。整个实验装置为一个闭合系统，在满足实验效果的前提下，降低了实验的用水量，使实验实施更为环保。附图说明图1为本发明的河床模型示意图；图2为本发明的循环机构示意图；图3为本发明的管道机构示意图；图4为本发明的观测机构示意图；图5为本发明的整体组装效果图。图中：1-河床模型第一段长条形U型槽、2-河床模型第二段半圆形U型槽、3-河床模型第三段长条形U型槽、4-河床模型第四段半圆形U型槽、5-供水箱、6-输水管、7-水泵、8-储水箱、9-螺栓、10-管道夹具U型槽、11-圆环、12-管道、13-高速摄像机、14-支架。具体实施方式结合图1和图5，河床模型中，所述河床模型包括四段U型槽，第一段长条形U型槽1通过焊接与第二段半圆形U型槽2连接，第二段半圆形U型槽2通过焊接与第三段长条形U型槽3连接，第三段长条形U型槽3通过焊接与第四段半圆形U型槽4连接。所述河床模型第一段长条形U型槽1长为3m，槽宽0.5m，槽壁高0.3m，与水平夹角15°；第二段半圆形U型槽2内径2m，外径3m，槽宽0.5m，槽壁高0.3m，水平放置；第三段长条形U型槽3长为3m，槽宽0.5m，槽壁高0.3m，与水平夹角15°；第四段半圆形U型槽4内径2m，外径3m，槽宽0.5m，槽壁高0.3m，水平放置。结合图2和图5，循环机构中，所述供水箱5为2m×2m×0.5m的长方体铁质水箱，供水箱5上表面完全开口，与河床模型第一段U型槽1端口连接的一面，上半面开口下半面封闭。所述储水箱8为2m×2m×0.5m的长方体铁质水箱，储水箱8上表面完全开口，与河床模型第四段U型槽4端口连接的一面，上半面开口下半面封闭，在储水箱8底部装有水泵7。所述输水管6为内径25mm、外径32mm的生胶水管，长度为2.5m，水管一端与水泵7泵头连接，另一端伸入供水箱5中。结合图3和图5，管道机构中，所述管道夹具为一2cm长的U型槽10，槽宽1cm，两侧高5cm。在U型槽的一侧开孔，插入一个螺栓9，U型槽的另一侧焊接一直径10cm的圆环11，可以将管道12插入，固定管道。结合图4和图5，观测机构中，所述高速摄像机13通过支架14固定在管道12正上方1m处，镜头正对管道。结合图1、图2、图3、图4、图5所示，一种模拟管道绕流及其冲刷的实验装置实验方法，步骤大致如下：a、选择所需模拟的河床类型，并将不同河床类型对应的河床介质均匀铺设于河床模型之上；(1)基岩河床，基岩河床的河床介质从上到下分为三层，依次为：①5cm厚的粒径为1-2cm的卵石层；②5cm厚的粒径为2-3cm的卵石层；③5cm厚的粒径为3-5cm的卵石层；(2)基岩-冲击混合型河床，基岩-冲击混合型河床的河床介质从上到下分为三层，依次为：①5cm厚的粒径为1-2mm的细沙层；②5cm厚的粒径为2-3mm的粗砂层；③5cm厚的粒径为1-2cm的卵石层；(3)冲积河床，冲积河床的河床介质从上到下分为三层，依次为：①5cm厚的粒径小于1mm的细沙层；②5cm厚的粒径为1-2mm的细沙层；③5cm厚的粒径为2-3mm的粗砂层；b、选择所需模拟的管道铺设方式；(1)管道与河流垂直，截取一内径8cm，外径9cm，长度为49cm的铁质管道，将管道插入管道夹具的圆环内，移动管道夹具在河床模型上的位置，使管道与河床夹角为90°，拧紧管道夹具上的螺栓，使管道夹具固定在河床模型上；(2)管道与河流夹角60°，截取一内径8cm，外径9cm，长度为57cm的铁质管道，将管道插入管道夹具的圆环内，移动管道夹具在河床模型上的位置，使管道与河床夹角为60°，拧紧管道夹具上的螺栓，使管道夹具固定在河床模型上；(3)管道与河流夹角45°，截取一内径8cm，外径9cm，长度为70cm的铁质管道，将管道插入管道夹具的圆环内，移动管道夹具在河床模型上的位置，使管道与河床夹角为45°。拧紧管道夹具上的螺栓，使管道夹具固定在河床模型上；c、在储水箱和供水箱中分别加入1/2的水，打开水泵，水通过输水管从储水箱中流入供水箱中，待供水箱中的水自然溢出流入河床模型，通过调节水泵的功率，实现对流量的调节；水泵功率50W60W70W80W90W100W水泵流量6000L/H7000L/H8000L/H9000L/H10000L/H12000L/Hd、整个水流循环起来后，启动高速摄像机，通过高速摄像机对管道及管道下部河床介质进行自动拍照记录，整个实验进行八小时，则一组实验结束；e、改变河床介质、管道铺设方式、水流量这三个因素开始下一组实验，重复步骤a-d。最后应说明的是：以上对本发明较佳的实施方式进行了说明，熟悉本领域的技术人员在本发明的基础上做出的所有等同替换或变形，均包含在本申请权利要求所限定的范围内。当前第1页1 2 3