一种消除环形水槽横向环流的调试方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境工程、水利工程领域，具体涉及一种消除环形水槽横向环流的调 试方法。
【背景技术】
[0002] 近几十年来，沉积物输移一直是环境学科和水利学科共同关注的课题。水槽是研 宄沉积物输移的重要设备，可用于研宄悬浮沉积物的冲刷、沉降等基本规律。对于悬浮物沉 降特征的研宄，由于其输移沉降时间尺度长，直形水槽难以满足试验要求；相比之下，环形 水槽具有以时间换空间的优势，能够满足悬浮沉降物输移沉降时间尺度的要求，因此环形 水槽成为研宄沉积物输移沉降的重要设备，近年来其应用越来越得到重视。
[0003] 环形水槽中水流为弯曲水流，同天然河道中弯道水流一样有横向环流存在，横向 环流使环形水槽与实际的顺直渠道中水力条件明显不同。弯曲水流中横向环流是由于流速 横向分布不均匀和垂直弯曲平面的离心力不平衡产生的流动，弯曲水流的离心力是无法消 除的，只能采取措施，使产生新的力和离心力平衡，从而消弱由离心力产生的横向环流。河 海大学张长宽、上海大学王道增、上海河口海岸科学研宄中心万远扬及本发明作者都提出 了与环形水槽相关的发明创造，然而上述发明创造中并未提到如何消除环形水槽中的横向 环流。在利用环形水槽进行悬浮物沉降、冲刷相关实验研宄时，有必要消除横向环流的影 响，获得相对理想的水利条件。在消除横向环流时，能否同时准确测定环形水槽中的水流流 速，是评价调试方法是否可行的关键因素。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种消除环形水槽横向环流的调试方法。
[0005] 本发明提出的消除环形水槽横向环流的调试方法，所述调试方法通过调试系统实 现，所述调试系统由剪切环支撑架1、环形水槽槽身2、剪切环3、控制柜4、流量计探头5、ADV 探头6和传动系统7组成，环形水槽槽身2由环形水槽内壁8和环形水槽外壁9组成，剪 切环3为有机玻璃圆环环形水槽槽身2上方设置剪切环3,环形水槽槽身2和剪切环3可 相对反向旋转，所述环形水槽槽身2和剪切环3分别通过控制柜4和传动系统7控制其转 数；环形水槽槽身2内底部设有圆球形彩色硅胶示踪颗粒；为测定环形水槽内水流流速，在 环形水槽槽身2底部中央开一个圆孔12,安装流量计探头5,并在剪切环3中央开设一个圆 孔13,安装声学多普勒测速系统，所述声学多普勒测速系统由ADV探头6和无线发射装置构 成，可在线记录水槽中水流流速，精确至0. 〇lcm/s。流量计探头5采用明渠流量计，可直接 在显示屏上实时读数，并可存储实时记录水流流速，精确至0. lcm/s。流量计探头5与ADV 探头6均可拆卸，并可调节ADV探头6在水槽内的深度；具体步骤如下： (1) 在环形水槽中加水至h (mm)处，并投加定制直径为4. 8-5. 2mm的圆球形彩色硅胶 示踪颗粒20~30个，圆球形彩色硅胶示踪颗粒沉至环形水槽槽身底部； (2) 调节ADV探头6至水深0· 6h的上方50mm处，则ADV探头所测流速为探头下方50mm 水深处控制体的三维点速，也即水深0. 6h处的三维点速，该点流速可以代表水流垂向断面 平均速度；流量计探头5则沿水深分层读取水流速度，经过自动换算得出水流垂向断面平 均速度； (3)通过控制柜4和传动系统7调节剪切环3旋转，环形水槽槽身2静止。当仅剪切 环3旋转时，固定在环形水槽槽身2底部的流量计探头5静止，ADV探头6相对水流运动， 水槽内实际水流方向与剪切环3旋转方向相同。此时流量计测量流速代表水槽内实际水流 速度，流量计测量流速精确至〇. lcm/s。水槽内实际水流速度、ADV探头6随剪切环3旋转 线速度、ADV探头6所测流速与流量计所测流速之间的计算关系式如下：
【主权项】
1. 一种消除环形水槽横向环流的调试方法，所述调试方法通过调试系统实现，所述调 试系统由剪切环支撑架（1)、环形水槽槽身（2)、剪切环（3)、控制柜（4)、流量计探头（5)、 ADV探头（6)和传动系统（7)组成，环形水槽槽身（2)由环形水槽内壁（8)和环形水槽外壁 (9)组成，剪切环为有机玻璃圆环，其特征在于环形水槽槽身（2)上方设置剪切环（3)，环形 水槽槽身（2)和剪切环（3)可相对反向旋转，所述环形水槽槽身（2)和剪切环（3)分别通 过控制柜（4)和传动系统（7)控制其转数；环形水槽槽身（2)内底部设有圆球形彩色硅胶 示踪颗粒；为测定环形水槽内水流流速，在环形水槽槽身⑵底部中央开一个圆孔（12)，安 装流量计探头（5)，并在剪切环（3)中央开设一个圆孔（13)，安装声学多普勒测速系统，所 述声学多普勒测速系统由ADV探头（6)和无线发射装置构成，可在线记录水槽中水流流速， 精确至O.Olcm/s ;流量计探头（5)采用明渠流量计，可直接在显示屏上实时读数，并可存储 实时记录水流流速，精确至0. lcm/s ;流量计探头（5)与ADV探头（6)均可拆卸，并可调节 ADV探头（6)在水槽内的深度；具体步骤如下： (1) 在环形水槽中加水至h (mm)处，并投加定制直径为4. 8-5. 2mm的圆球形彩色硅胶 示踪颗粒20~30个，圆球形彩色硅胶示踪颗粒沉至环形水槽槽身底部； (2) 调节ADV探头（6)至水深0. 6h的上方50mm处，则ADV探头所测流速为探头下方 50mm水深处控制体的三维点速，也即水深0. 6h处的三维点速，该点流速可以代表水流垂向 断面平均速度；流量计探头（5)则沿水深分层读取水流速度，经过自动换算得出水流垂向 断面平均速度； (3) 通过控制柜⑷和传动系统（7)调节剪切环⑶旋转，环形水槽槽身⑵静止；当 仅剪切环⑶旋转时，固定在环形水槽槽身⑵底部的流量计探头（5)静止，ADV探头（6) 相对水流运动，水槽内实际水流方向与剪切环（3)旋转方向相同；此时流量计测量流速代 表水槽内实际水流速度，流量计测量流速精确至〇. lcm/s ;水槽内实际水流速度、ADV探头 (6)随剪切环（3)旋转线速度、ADV探头（6)所测流速与流量计所测流速之间的计算关系式 如下：
其中Aim?.为ADV探头（6)随剪切:环（3)旋转的线速度，为ADV测量:的水流速度， " 为环形水槽内实际水流速度，为流量计测量的水流速度； (4) 通过控制柜（4)和传动系统（7)调节剪切环（3)静止，环形水槽槽身⑵旋转；当 仅环形水槽槽身（2)旋转时，ADV探头（6)静止，流量计探头（5)相对水流运动，水槽内实 际水流方向与环形水槽槽身（2)旋转方向相同；此时ADV探头所测流速为水槽内实际水流 速度，ADV探头测量流速精确至O.Olcm/s;水槽内实际水流速度、流量计探头（5)随环形水 槽槽身（2)旋转的线速度、ADV探头所测流速与流量计所测流速之间的计算关系式如下：
其中：Fmw为ADV探头测量的水流速度，1??为环形水槽内实际水流速度，4^_为流 量计探头（5)随环形水槽槽身（2)旋转的线速度，为流量计测量的水流速度； (5) 通过控制柜（4)和传动系统（7)起动环形水槽槽身（2)，调节转数为a转/分钟， 可观测到圆球形彩色硅胶颗粒向水槽外壁（9)偏移，表明水槽底部横向环流明显；通过控 制柜（4)和传动系统（7)启动剪切环（3)，旋转方向与环形水槽槽身（2)旋转方向相反，调 节转数为b转/分钟时，硅胶颗粒逐渐向水槽中间移动，当圆球形彩色硅胶颗粒保持沿着水 槽中线运动时，此时认为已消除横向环流； (6) 通过控制柜（4)和传动系统（7)调节剪切环（3)和环形水槽槽身（2)同时旋转，分 别保持转数为a转/分钟和b转/分钟，ADV探头（6)与流量计探头（5)都相对水流运动， 通过控制柜（4)和传动系统（7)立即关停环形水槽槽身（2)和剪切环（3)的方法；换算得 出水槽中的水流实际速度，此时控制剪切环（3)静止，水流在惯性作用下继续流动，通过安 装在剪切环（3)上的ADV探头在线记录，得到ADV探头（6)静止后水流的速度变化，变化趋 势为逐渐减小，可将ADV探头（6)最初静止时水流速度最大值作为剪切环（3)和环形水槽 槽身（2)同时旋转时水槽内的水流速度；此速度即为剪切环（3)和环形水槽槽身（2)分别 保持转数为a转/分钟和b转/分钟时，环形水槽内水流的断面平均流速，ADV测量流速可 精确至0. 〇lcm/s。
【专利摘要】本发明涉及一种消除环形水槽横向环流的调试方法，所述调试方法通过调试系统实现，所述调试系统由剪切环支撑架、环形水槽槽身、剪切环、控制柜、流量计探头、ADV探头和传动系统组成，本发明利用声学多普勒测速仪、明渠流量计及球形彩色硅胶颗粒示踪物消除环形中水槽横向环流的方法。本发明利用球型彩色硅胶颗粒示踪物指示环形水槽中水流水力状态，确定消除横向环流时下盘环形水槽运转周期与上盘剪切环相对应运转周期的关系，获取了环形水槽消除横向环流的操作参数；同时利用ADV及流量计实现实时测量环形水槽双向运动条件下的水流速度，通过调整剪切环及环形水槽槽身转速，获取研究所需水流流速。
【IPC分类】G01M10-00
【公开号】CN104677590
【申请号】CN201510093276
【发明人】尹海龙, 解铭, 邱敏燕, 张伦元
【申请人】同济大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月3日