一种压力和流量同步控制的双向造流装置及其造流方法与流程

本发明涉及双向造流装置，特别是涉及一种压力和流量同步控制的双向造流装置及其造流方法。

背景技术

在涉海或与河流相关的工程中，往往需要对工程区域附近的流场进行模拟，从而研究工程区域附近流场对工程施工及工程建筑的影响，以确保工程的可靠性。

传统流场实验主要通过到河道流域进行实地测试或在水工实验室对实际流场进行一定尺度的缩放，但对于大范围流场的研究，原尺度的模拟是不切实际的，一般需要将实际流场进行一定尺度的缩放，但为了确保一定的实验精度，一般的流场物理模型的尺寸依然相对较大，并且操作也极不方便，需要耗费大量的人力物力。

此外，实际的流场往往是多向复杂的，而传统的水工实验室流场模拟实验中，流场的方向通常是确定且不可调节的，所以利用传统方法制作的模型难以适用于对实际多向复杂流场的模拟，实验精密性差，具有很大的局限性，会大大增加实验的时间和经济成本。

传统的流场模拟实验通常在流场某一位置处设置循环泵以此实现流场内流体的循环利用。如中国专利cn204612895u公开了一种小型流场模拟水槽，它包括水槽、水槽内设置有右栅格和左栅格，两个栅格将水槽划分成进水室、实验室和出水室，进水室和出水室之间通过管道相连，管道上设置有水泵，试验装置设置在实验室内。其主要特点是通过水泵来促进水槽流体的流动，通过导流栅格来保证流场的流动呈层流状态，调节泵的流量大小可以调整流场的流速，这样就可以进行流场中相关装置不同流速下的实验工作。导流栅格做成活动式的，嵌入在水池中，方便不同间距的栅格更换，导流栅格的间距可以做成不同的疏密，从而模拟流场层流的不同精度，进行不同精度的实验。

但是，上述小型流场模拟水槽的流场方向也是确定且不可调节的，不能适用于对实际多向复杂流场的模拟，且其体型相对较小，在对大范围的实际流场的模拟实验中会存在实验精度不够的问题。

综上所述，现有的流场试验还存在一定的缺陷和局限性，故本发明对传统流体力学流场模拟实验设备进行了改进，解决了流场模拟时流场方向不可调节的问题，同时还具备设备少、结构简单、加装方便、精准控制等优点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够在同一实验中实现正反向流场切换、可用于模拟复杂多向流场的压力和流量同步控制的双向造流装置。

一种压力和流量同步控制的双向造流装置，包括容器、与容器连通的水槽，其特征在于，所述容器内设有隔板，将容器分隔成进水室和造流室；

所述隔板由下部的固定隔板和上部的活动隔板组成，固定隔板上安装有造流泵，所述的造流泵将水从进水室泵至造流室；

所述进水室的两侧分别设有第一进水口和第二进水口；

所述造流室的两侧分别设有第一出水口和第二出水口；

所述第一进水口、第二进水口、第一出水口和第二出水口处均设有升降式闸门。

本发明装置通过设置造流泵、造流室、活动隔板和升降式闸门，可以根据出水口所需的出水流量(使流场满足实验要求)，将活动隔板调到一定高度，将造流泵调节到所需的泵水速度，使造流室溢流，溢流的水流从活动隔板顶部回流至进水室，进而控制所述造流室液面高度，使造流室水深恒定，得到所需水压实现压力控制。控制所述装置出水口处升降式闸门的开合度，即控制出口处的过流面积以得到所需流量实现流量控制，最终实现了对压力和流量的双重控制。

本发明还可以通过调节第一、第二出水口和第一、第二进水口的开合度，实现实验中正反向流场的切换，即实现双向造流，可以用于实现多向复杂流场的创造，模拟涨落潮潮流状态。

优选地，所述造流室内设有消能板，可以使造流泵从进水室泵入造流室中的水流布水均匀、减缓紊动翻滚效应。

优选地，所述造流泵安装在固定隔板的中心，连通进水室和造流室，这是为了方便安装以及减小设备体积。

进一步优选，所述造流泵出口两侧设有两块多孔消能板，从而使造流室形成连通的三个室，其中造流泵安装在固定隔板的中心，使造流泵出水口在中间室，所述造流泵泵入的水流在中间室紊动、翻滚，流经消能板消能后，平顺均匀地进入两侧室，最终从出水口流出。

优选地，所述造流室内设有计量刻度，这是为了更加准确的控制造流室内水深度，实现压力控制造流。

优选地，所述造流泵为潜水泵，这是为了方便制造，减小设备体积。

优选的，所述第一进水口、第二进水口、第一出水口和第二出水口的侧壁均设有计量刻度，这是为了便于调节升降式闸门的开合度，从而准确控制第一、第二进水口及第一、第二出水口的过流面积，准确控制了出水口的出水面积可以实现流量控制造流。

本发明还提供了一种使用压力和流量同步控制的双向造流装置的造流方法，包括以下步骤：

(1)先根据实验流场要求调节活动隔板；

(2)当正向造流时，再根据实验流场需求调节第一出水口的开合度，将第二进水口完全打开、第二出水口和第一进水口完全关闭；当反向造流时，根据实验流场需求调节第二出水口的开合度，再将第一进水口完全打开、第二进水口和第一出水口完全关闭；

(3)开启造流泵将进水室内的水泵入造流室，调节造流泵的泵水速度使造流室溢流，使造流室造流水深保持恒定；

(4)待造流室造流水深和出水流量均恒定后，即可对所造流场进行实验。

本发明装置的双向造流方法先通过调节活动隔板使造流室水深恒定以得到所需水压，当正向造流时，实验流场中的水流通过第二进、出水口外侧的水槽从第二进水口流入进水室，造流室内的水流从第一出水口流入第一进、出水口外侧的水槽中，进而流向实验流场；当反向造流时，实验流场中的水流通过第一进、出水口外侧的水槽从第一进水口流入进水室，造流室内的水流从第二出水口流入第二进、出水口外侧的水槽中，进而流向实验流场。

通过使用本发明所述双向造流方法，可以使出水口处流量达到构造实验流场所需的流量，结合造流室稳定溢流以及消能板消能的作用，使出口处流量保持稳定。

本发明装置和双向造流方法同样适用于研究往复流及其引起的泥沙冲淤情况，即只要已知往复流的周期及其相应状态下的流速，使用本装置控制压力和流量，即可得到实验所需的某一向流场，再通过切换第一、第二出水口及第一、第二进水口的开合度，即可将模型中流场方向反向，进而实现在一套实验设备下的往复流模拟。若在试验水流中加入泥沙，即可实现对潮汐作用下的泥沙冲淤情况的模拟。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明通过调节活动隔板和升降式闸门，使造流室水深恒定，还能够较为精准地控制流量变化，实现对实验流场的准确创造，最终实现压力和流量的双重控制；

(2)本发明通过切换第一、第二进水口及第一、第二出水口的开合状态，实现同一实验中正反向流场的切换，利用有限且简易的设备实现了多向复杂流场的创造，有效提高实验效率以及实验数据的准确性；

(3)本发明装置是对传统流体力学流场模拟实验设备的改进，同时还具备设备少、结构简单、加装方便、投资省、易于管理运行等优点。

附图说明

图1是本发明压力和流量同步控制的双向造流装置的主视结构示意图；

图2是本发明压力和流量同步控制的双向造流装置的侧视结构示意图；

图3是本发明压力和流量同步控制的双向造流装置的俯视结构示意图；

图4是本发明消能板的结构示意图。

具体实施方式

如图1～4所示，本实施例的双向造流装置包括：容器1、固定隔板2、活动隔板3、潜水泵4、潜水泵入水口5、潜水泵出水口6、第一出水口7、第二出水口8、第一进水口9、第二进水口10、第一出水口7处升降式闸门11、第二出水口8处升降式闸门12、第一进水口9处升降式闸门13、第二进水口10处升降式闸门14、第一消能板15、第二消能板16、底座17、斜坡底板18。

第一出水口7、第二出水口8、第一进水口9、第二进水口10与流场区域连通。

容器1由下部的固定隔板2和上部的活动隔板3分隔成两个大空间，分别为进水室011和造流室012，通过设置在固定隔板2中心位置上的潜水泵4连通，其中潜水泵入水口5在进水室011中，潜水泵出水口6在造流室012中，通过潜水泵4将进水室011中的水泵入造流室012中造流。

造流室012中设置有第一消能板15和第二消能板16，将造流室分隔为中心造流室0121、左侧造流室0122和右侧造流室0123，潜水泵出水口6在中心造流室0121中间位置；第一消能板15和第二消能板16的设置可以使在中心造流室0121紊动、翻滚的水流经消能后平顺均匀地进入左侧造流室0122和右侧造流室0123。

容器1为透明材质，且在左侧造流室0122侧壁及各进出水口外侧均带有刻度。

通过调节活动隔板3，控制造流室内水压恒定。

通过潜水泵4的功率调节，使造流室012溢流，且溢流位置为活动隔板3顶部，溢流水流回流至进水室011。

容器1的底端设有底座17，使整个设备保持水平状态。

容器1两侧进出水口处分别设置有水槽013，两侧水槽013将容器1与实验流场的两端连通，和实验流场共同形成一个封闭循环系统。

第一进水口9和第二进水口10外侧的水槽013的底板采用斜坡底板18，方便水流流入进水室011，水槽013其于部分的底板均采用水平底板。

针对于往复流流场模拟的情况，使用本实施例的压力和流量同步控制的双向造流装置进行双向造流，包括如下步骤：

(1)根据现场实测数据确定实验模拟所需求的往复流流场流量，得到造流室012所需的液面高度和第一出水口7或第二出水口8处的出流面积，即第一出水口处升降式闸门11或第二出水口处升降式闸门12的升降高度；

(2)调节活动隔板3至造流室012所需液面高度，即达到压力控制的目的；

(3-1)当进行正向流场模拟时，调节升降式闸门11升降高度，使出流面积满足要求，完全关闭升降式闸门12和升降式闸门13，完全打开升降式闸门14，使实验流场中的水流经水槽013从第二进水口10处流入进水室011；

(3-2)当进行反向流场的模拟时，调节升降式闸门12至正向流场模拟时升降式闸门11相同高度，完全关闭升降式闸门11和升降式闸门14，完全打开升降式闸门13，使实验流场中的水流经水槽013从第一进水口9处流入进水室011；

(4)打开造流泵4，粗调造流泵4的功率使造流室012溢流，同时造流室012内水流从出水口处流入水槽013，进而流入实验流场中，待出水口处出流量稳定后即可进行正反向流场实验，即实现双向流场的模拟。