一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，该模拟方法包括以下步骤：根据实际分层型湖泊水库水温分布的特点，按一定比例确定模型水库所需的下层等温层水体的高度；在所需高度的模型水库下层，垂向均匀布设N-1个环形空调蒸发器冷凝管，各环形冷凝管与空调主机相连；向模型水库内注入清水，使模型水库内达到一定水深；根据所需的等温层水温，设置温度感应器的温度值；开启空调主机，通过个冷凝管对模型水库下层水体进行制冷，通过温度感应器实测下层水体水温，空调主机根据温度感应器的反馈自动启闭，直至等温层水体水温均匀达到指定温度，模拟过程结束。采用本发明形成的分层水体具有水温分层稳定、同一水平面水温均匀的特点。
【专利说明】一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法
【【技术领域】】
[0001]本发明属于湖泊水库水质污染控制领域，涉及分层湖泊水库中试研究，具体涉及一种基于自然传热的水库水温分层模拟方法。
【【背景技术】】
[0002]深水型湖泊水库水体温度具有明显的季节性沿深度成层分布的特点，夏季自上而下形成典型的变温层、跃温层和等温层的水温分层结构，表层水温和底层水温相差很大，有时温度差值可达20°C左右。当湖库水温分层时，自上而下水温逐渐降低、密度逐渐增加，表层水温和溶解氧浓度较高的水体向下运动时，会受到向上的浮阻力，尤其是在温度梯度大的跃温层内。跃温层的存在阻碍了表层和底部水体的能量和物质交换，在底部水体，溶解氧受跃温层阻碍而得不到补充，而各种微生物和化学作用则会使水中的溶解氧逐渐被消耗，当水中溶解氧浓度低于2mg/L时，底泥中的有机质、氮、磷、铁、锰会释放进入水体，形成湖库的内源污染。当季节更替导致表层与底部水温相近时，湖库易发生“翻库”现象，水质污染严重的等温层水体与中上部水体发生混合，等温层内的污染物将污染整个湖库水质。内源污染使水体磷、氮含量增加，在夏秋季节水温、光照合适时，会引起藻类的大量繁殖和水体富营养化。水温分层是导致分层湖库水质内源污染和富营养化的重要诱因之一。由于缺乏能模拟实际分层湖库的方法，目前分层湖库内源污染和富营养化控制技术的研究基本都处于实验室机理研究和受限条件下的现场观测研究，致使湖库水质污染控制技术的应用效果难以在可控试验环境中进行实质性的系统研究。 [0003]目前涉及湖泊水库水温分层的主要模拟方法有三类。一是以盐水和淡水形成类似于水温分层的密度分层水体，二是利用热水和冷水流入水槽形成一定的水温分布，三是通过在水槽上方用加热器使水体升温的方法形成一定的水温分布。利用盐、淡水的密度差以模拟水温分层，通常仅能模拟两层，很难形成稳定的连续分层水体，不能真实地再现实际湖库水温沿水深的连续分布。利用热水或冷水流入水槽以形成水温分层，虽然能在一定条件下形成相对稳定的水温分层结构，但其对冷、热水输入系统的控制要求非常高。利用加热器升温虽然理论上在水平向密度流的作用下，热量能被水平传输，使等高面上的水温趋于均匀，但存在以下几个明显不足:1)受加热器性能的影响，水温分层空间分布的均匀性难以保证；2)底部水温多数条件下无法降低至实际分层湖库等温层的常见水温5°C左右，难以在任何季节都能进行与实际湖库水温分层条件相近的分层水环境试验；3)加热棒本身也会影响模型湖库内的水流状态。目前的水温分层方法均存在各自的缺陷和不足，很难简便地形成稳定的，不影响水流状态的，符合实际湖泊水库水温分布特点的水温分层结构。
【
【发明内容】
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[0004]本发明的目的在于针对现有水温分层方法的不足，提供了一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，该方法简单易行。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:[0006]1、一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007]I)根据实际分层型湖泊水库水温分布的特点，按一定比例确定模型水库所需的下层等温层水体的高度；
[0008]2)在所需高度的模型水库下层，垂向均匀布设N-1个环形空调蒸发器冷凝管，各环形冷凝管与空调主机相连；
[0009]3)向模型水库内注入清水,使模型水库内达到一定水深；
[0010]4)根据所需的等温层水温，设置温度感应器的温度值；
[0011]5)开启空调主机，通过N-1个冷凝管对模型水库下层水体进行制冷，通过温度感应器实测下层水体水温，空调主机根据温度感应器的反馈自动启闭，直至等温层水体水温均匀达到指定温度，模拟过程结束。
[0012]本发明进一步改进在于，空调主机根据温度感应器的反馈自动启闭，温度感应器实时测量模型水库下层水体的温度，当模型水库下层水温高于指定温度，温度感应器给空调主机发出一个启动信号；当下层水温达到指定温度，温度感应器再次给空调主机发出一个关机信号。 [0013]本发明进一步改进在于，模拟水库中冷凝管的数量为N-1个，其从上至下分别为第I层冷凝管、第2层冷凝管.......和第N-1层冷凝管，N-1个冷凝管通过支架支撑。
[0014]本发明进一步改进在于，模型水库中还设置有刻度尺和底部出流口。
[0015]与现有其他水温分层模拟方法相比，本发明的优点是:采用本发明方法形成的水温分层水体具有水温分层稳定、同一水平面水温均匀，制冷速度快、能耗低、装置简单、水体内部无物体干扰，试验不受季节限制等优点。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0016]图1为本发明制冷系统示意图；
[0017]图2为本发明基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟装置的结构示意图；
[0018]图3为本发明模拟水温分布图；
[0019]图4为西安黑河金盆水库实际水温季节变化图。
[0020]其中:1、水箱；2、加水管；3、水泵；4、流量计；5、刻度尺；6、第I层冷凝管；7、第2层冷凝管；8、第N-1层冷凝管；9、支架；10、模型水库；11、出流口 ； 12、温度探头；13、温度感应器；14、空调主机；15、缓冲水池；16、进水槽；17、开关；18、测温仪主机。
【【具体实施方式】】
[0021]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0022]参见图1，本发明一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，其核心思想是通过对底部水体制冷的方法，首先在底部形成等温层，然后利用自然传热机制，在模型水库内自上而下形成变温层、跃温层和等温层，即形成与实际湖泊水库类似的水温分层结构。
[0023]参照图2，本发明拟通过一套基于自然传热的分层湖泊水库模拟装置详细说明。该模拟装置包括模型水库10、空调主机14、温度感应器13、若干温度探头12、第I层环形冷凝管6、第2层环形冷凝管7、第N-1层环形冷凝管8 ;其中，第N-1层环形冷凝管8、第2层环形冷凝管7和第I层环形冷凝管6从上至下均匀设置在模型水库10底层，N-1个环形冷凝管通过支架9支撑，若干个个温度探头12分别与测温仪主机18相连接，温度感应器13与空调主机14相连接，且空调主机14用于分别通过N-1个环形冷凝管对模型水库10中的水进行制冷。
[0024]其中，该模拟装置还包括设置在模型水库10底层的出流口 11 ;模型水库10中还设置有刻度尺5。
[0025]此外，该模拟装置还包括缓冲水池15，其通过进水槽16与模型水库10相连通，以及水箱1，其通过加水管2以及设置在加水管2上的水泵3与缓冲水池15相连通；在加水管2上设置有流量计3，且流量计3设置在靠近水泵3出水口的一端，且加水管2上还设置有开关17。
[0026]本发明一种基于自 然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，包括以下几个步骤:
[0027]I)根据实际分层型水库(湖泊)水温分布的特点，按一定比例确定模型水库(长L/m、宽B/m、高H/m)所需的下层等温层水体的高度匕(m)，即为模型水库中等温层的高度；在所需高度为h的模型水库下层，垂向均匀布设N-1个环形空调蒸发器冷凝管，每个环形冷凝管设两条水平短管相连，从上至下将模型水库下层分为N层；各环形冷凝管与空调主机相连；向模型水库内注入清水，使模型水库内水深达到1? Cm)；
[0028]2)根据所需的等温层水温，设置温度感应器的温度值；开启空调主机，通过N-1个冷凝管对模型水库下层水体进行降温处理，当制冷达到指定的等温层水体温度之后，空调停止工作；当冷凝管周围水体温度高于预期制定温度，空调主机开始工作，如此不断重复循环，直至等温层水体水温均匀达到指定温度，模拟过程结束。具体地说，温度感应器实时测量等温层中部水层水体的温度，当该层水体的温度高于温度感应器的指定温度时，温度感应器给空调主机发出一个启动信号；当该层水体的温度降到指定温度后，温度感应器再次给空调主机发出一个关机信号。长时间的制冷形成了水温较低的稳定等温层水体，室温下利用自然传热，表层水温随着气温的变化而变化，在表层一定范围内形成水温差别较小的变温层；在表层变温层和底部等温层之间，形成温度梯度很大的跃温层，以近似模拟实际水库的水温分层结构。
[0029]3)当制冷一定时间以后，温度感应器实测的水体温度稳定达到指定温度时，在模型水库高度为h的下层水体中，水平方向均匀选定8个点，采用由4个温度探头组成的探头阵列分别测量各点处的垂向水温分布，如果模型水库等温层水体内各处水温均达到指定温度，模型水库等温层正式形成。
[0030]4)在室温固定的情况下，可以通过设置温度感应器的不同温度，自然实现具有不同跃温层温度梯度的稳定水温分层结构；在设置温度感应器的固定温度的情况下，可以依据室温的季节性变化，自然实现具有不同跃温层温度梯度的稳定水温分层结构，便利地进行分层水体试验研究。
[0031]对比图3和图4，可以看出通过本发明的模拟装置能够使模型水库水体形成稳定的水温分层，所形成的水温分层结构与实际的湖泊水库水温分层结构类似。
[0032]以往水温分层试验，通常以盐、淡水为介质形成由两层不同密度的水体构成的分层水环境，或是利用热水或冷水流入水槽形成一定的垂向水温分布，或是在水槽内或外通过加热器加热水形成一定的水温分布，很难模拟基于自然传热的与实际湖泊水库水温分布类似的分层水环境。本发明提供一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，将直接形成稳定的连续水温分层环境，便于进行各种可控条件下的水温分层模拟试验。
[0033]本发明可根据实际需要，扩大或缩小模型水库尺寸，进行不同条件下的水温分层模拟实验的研究。本发明实施操作方便，使用成本低廉，易于控制，具有推广应用价值。
[0034]尽管上面结合附图1?4对本发明的实施进行了详细描述，但上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)根据实际分层型湖泊水库水温分布的特点，按一定比例确定模型水库所需的下层等温层水体的高度； 2)在所需高度的模型水库下层，垂向均匀布设N-1个环形空调蒸发器冷凝管，各环形冷凝管与空调主机相连； 3)向模型水库内注入清水,使模型水库内达到一定水深； 4)根据所需的等温层水温，设置温度感应器的温度值； 5)开启空调主机，通过N-1个冷凝管对模型水库下层水体进行制冷，通过温度感应器实测下层水体水温，空调主机根据温度感应器的反馈自动启闭，直至等温层水体水温均匀达到指定温度，模拟过程结束。
2.根据权利要求1所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，其特征在于，空调主机根据温度感应器的反馈自动启闭，温度感应器(13)实时测量模型水库下层水体的温度，当模型水库下层水温高于指定温度，温度感应器(13)给空调主机(14)发出一个启动信号；当下层水温达到指定温度，温度感应器(13)再次给空调主机(14)发出一个关机信号。
3.根据权 利要求1所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，其特征在于，模拟水库(10)中冷凝管的数量为N-1个，其从上至下分别为第I层冷凝管(6)、第2层冷凝管(7).......和第N-1层冷凝管(8)，N-1个冷凝管通过支架(9)支撑。
4.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于自然传热的湖泊水库水温分层模拟方法，其特征在于，模型水库(10)中还设置有刻度尺(5)和底部出流口。
【文档编号】E02B1/02GK104018458SQ201410140441
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】孙昕, 陈恩源, 解岳 申请人:西安建筑科技大学