水库水温初始分层模拟系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种水库水温初始分层模拟系统，包括供水系统、定位装置和出水装置。通过供水系统提供稳定的符合实验要求的水流，并通过系统中的控制器控制出水的水温、流速及供水总体积；通过定位装置中的聚烯烃薄膜减少水层之间的扰动，并通过调节位置设定布设水层的高度；通过出水装置调节出水口位置及控制出口流速，保证水体均匀快速地布设完成。本发明的水库水温初始分层模拟系统，结构巧妙，操作方便，能够在不同边界地形条件下快速实现不同水温分布的水库水温初始分层现象。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种实验模拟系统，具体涉及一种水库水温初始分层模拟系统。 水库水温初始分层模拟系统
【背景技术】
[0002] 大型水库建成蓄水后，由于太阳辐射、入库水流、气温、取水口位置、水库规模以及 运行方式等因素的共同影响，水库水体温度会呈现连续性分层分布现象，这种水库水温分 层使水库水动力特性及污染物的输运过程不同于均温型水库。Alavian等根据来流密度与 水库中分层水体密度的差异可以将密度流（异重流）分为表面流、间层流及下潜流。了解 异重流流入分层型水库后水流运动状况及水体中污染物（溶解质、热量、泥沙等）的输移和 扩散的规律对于维持库区生态环境、调控下游出水水质具有十分重要的作用，因此关于分 层型水库异重流现象的研究得到国内外学者的广泛重视。目前，对于分层型水库异重流运 动规律的研究主要集中在数值模拟方面，并取得了大量卓有成效的成果。实验方面，由于水 库水温相似理论分析不够完善和水库水温初始分层实验装置的缺失，在实验室内建立能够 反映原型实验现象的模型实验还存在比较大的困难。但就其机理性研究而言，通过实验室 概化水库模型分析异重流流入分层型水体后水流运动特征对于理解分层型水库中水流运 动状况与污染物的输移和扩散规律起到基础研究的作用，因此实现水库中水温的初始分层 现象是实验研究的关键所在。前人的研究中主要是以不同溶度冷热盐水代替不同温度淡水 形成分层现象，但其形成的水温分层现象极其不稳定且水温分布难以控制，很难形成满足 要求的、稳定的水温分布。因此，目前迫切需要一种能够快速实现水库水温初始分层的实验 装直。
【发明内容】
[0003] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种水库水温初始分层 模拟系统，可以精确的模拟水库的温度分层情况，装置简单，使用方便。
[0004] 技术方案：为解决上述技术问题，一种水库水温初始分层模拟系统，一种水库水温 初始分层模拟系统，包括供水系统、定位装置和出水装置；
[0005] 所述供水系统包括电机、阀门、控制器、进水管、总出水管、温度传感器、涡街流量 计、水箱、加热管和液位传感器，水箱通过水箱出水管与进水管汇流后与总出水管连接，所 述水箱出水管、进水管和总出水管上分别设有温度传感器、涡街流量计和阀门，每个阀门都 通过电机与控制器连接，每个温度传感器和涡街流量计检测数据传输给控制器，总出水管 与出水装置连接，加热管与温度传感器和液位传感器连接，加热管、温度传感器和液位传感 器都与控制器连接；
[0006] 所述定位装置包含水平校准装置、下滑块、聚烯烃薄膜、手摇杆、可旋转定位杆和 立柱，所述立柱包括刻有刻度的四根立柱，每个立柱上套有下滑块，立柱垂直立于水库边界 外部，立柱顶部设有水平校准装置；所述水平校准装置包括中间部位装有水准管的四根连 接杆和四个上滑块，每根连接杆两端与相连的两个上滑块连接，每个上滑块位于一根立柱 上，通过每个立柱上套有的上滑块调平水平校准装置；可旋转定位杆包含第一旋转定位杆 和第二旋转定位杆，第一旋转定位杆和第二旋转定位杆连接在下滑块上，相邻两根立柱上 设有第一手摇杆，另外两根立柱之间设有第二手摇杆，第一手摇杆和第二手摇杆都穿过对 应的两个下滑块，所述聚烯烃薄膜一端卷绕在第一手摇杆上，另一端通过钢丝绕过第一旋 转定位杆和第二旋转定位杆与第二手摇杆连接；
[0007] 所述出水装置包含出水喷头、支架、软管和锁紧装置，所述出水喷头上部设有底 座，底座与锁紧装置相连，并通过锁紧装置固定在支架上，出水喷头通过软管与总出水管连 接。
[0008] 作为优选，所述锁紧装置包括套管和螺钉，螺钉穿过支架锁紧套管。
[0009] 作为优选，所述出水喷头出口处设有上层孔板和相对于上层孔板移动的下层孔 板，上层孔板和下层孔板每个孔板上分布相同的若干孔。
[0010] 作为优选，所述第一旋转定位杆和第二旋转定位杆通过螺母与下滑块连接，第一 旋转定位杆和第二旋转定位杆可绕对应下滑块转动及固定。
[0011] 作为优选，所述水箱包括第一水箱和第二水箱，第一水箱和第二水箱均包含加热 管和温度传感器，其中第一水箱中还包含液位传感器，加热管、温度传感器和液位传感器分 别与控制器连接。所述第一水箱与水箱出水管连接，第二水箱设有与总出水管连接的水箱 进水管，水箱进水管上设有阀门，阀门通过电机与控制器连接，第一水箱和第二水箱之间设 有水泵，水泵通过第五电机与控制器连接。
[0012] 作为优选，所述第二水箱设有溢流口。
[0013] 在本发明中，第一手摇杆包含螺母、第一手柄和与第一手柄连接的第一杆，第二手 摇杆包含螺母、第二手柄和与第二手柄连接的第二杆，聚烯烃薄膜的一端卷绕在第一杆上， 另一端与绕过第一旋转定位杆和第二旋转定位杆的钢丝连接，钢丝的另一端卷绕在第二杆 上。第二手摇杆通过摇动第二手柄带动钢丝卷绕在第二杆上，从而带动聚烯烃薄膜平铺在 第一旋转定位杆和第二旋转定位杆之间，当水层布层结束后，转动第一手摇杆，聚烯烃薄膜 卷绕在第一杆上，达到第一杆铺收聚烯烃薄膜的目的。
[0014] 本发明中的可旋转定位杆能够适应不同坡度的地形边界条件，其作用主要有两 个：一是使第一杆和第二杆远离水面，防止转动手摇杆时造成水面扰动，影响已经布设好的 水库水体；二是通过转动可旋转定位杆，使聚烯烃薄膜能够紧贴着边界，适应不同坡度的边 坡。
[0015] 本发明中的旋转定位杆在布设水层时要求尽量贴近边界，减少水层直接曝露于空 气的水面面积，减少水层之间直接接触造成扰动的影响区域面积，并可相应增加出水喷头 孔板的面积，提高出水效率。
[0016] 本发明中的可旋转定位杆在布设水层时需要进行微调，使其贴近前面已经布设好 的水库水体表面。
[0017] 本发明中的聚烯烃薄膜属非极性聚合物，其表面自由能小，表面湿张力较低，一般 为30达因/厘米左右。理论上讲，若物体的表面张力低于33达因/厘米，液体就无法附着 牢固，因此在缓慢转动手摇把回收聚烯烃薄膜时，界面摩擦力对静止水流的影响可以忽略 不计。
[0018] 本发明中的出水喷头顶部设有底座，底座中间设有贯穿孔，通过穿过套管的软管 连接供水系统，出水喷头的底座与套管相连，通过上下调节套管高度达到升降出水喷头高 度的目的，并通过穿过支架的螺钉固定。
[0019] 本发明中的出水喷头主要是保证水流能够在较大面积上均匀快速地出流，防止水 流过于集中，对聚烯烃薄膜下层水体形成冲击，造成聚烯烃薄膜下水层较大的扰动。孔板的 过水孔以行列均匀分布，孔径的大小、孔板尺寸及行距、列距可以根据情况进行设计，根据 实际情况可以水平微调下层孔板，使上层孔板与下层孔板之间的孔错开，达到二次控制出 水流速的目的。
[0020] 有益效果：本发明的一种水库水温初始分层模拟系统，通过采用控制器自动控制， 能够精确的提供各种不同温度和不同流速的水流，并对供水体积进行控制，而且可以模拟 不同坡度的地形边界条件；出水装置中的出水喷头的设置提高了出水效率，并且由于出水 喷头上设有可水平微调的下层板孔，能够达到二次控制出水流速的目的；通过聚烯烃薄膜 的隔离作用，能够精确的模拟水库中水温初始分层现象；本发明结构巧妙，操作方便，能够 在不同边界地形条件下快速实现不同水温分布的水库水温初始分层现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是定位装置结构图；
[0022] 图2是出水装置结构图；
[0023] 图3是供水系统示意图；
[0024] 图4是图3供水系统供水流程图；
[0025] 图5是孔板结构附视图；
[0026] 图6是孔板结构侧视图
[0027] 图7是第一手摇杆结构示意图；
[0028] 图8是第二旋转定位杆的结构示意图；
[0029] 图9是图1中第一上滑块的结构图；
[0030] 图10是图1中第一下滑块的结构图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0032] 如图1至图10所示，本发明的一种水库水温初始分层模拟系统，包括供水系统、定 位装置和出水装置。
[0033] 具体来说，供水系统包括电机、阀门、控制器51、进水管、总出水管、温度传感器、液 位传感器48、涡街流量计、水箱和加热管29。水箱通过水箱出水管与进水管汇流后与总出 水管连接，水箱出水管、进水管和总出水管上分别设有温度传感器、涡街流量计和阀门，每 个阀门都通过电机与控制器51连接，每个温度传感器和涡街流量计检测数据传输给控制 器51，总出水管与出水装置连接，加热管29位于水箱内并通过控制器51自动控制。
[0034] 定位装置包含水平校准装置、下滑块、聚烯烃薄膜46、手摇杆、旋转定位杆和立柱。 立柱包括设有刻度的四根立柱，立柱根据水库边界地形垂直立于水库边界外部，每个立柱 上分别套有上滑块，旋转定位杆包含第一旋转定位杆19和第二旋转定位杆20,第一旋转定 位杆19和第二旋转定位杆20结构相同，如图8所示，相邻两根立柱上设有第一手摇杆5，另 外两根立柱之间设有第二手摇杆6,第一手摇杆5包含螺母、第一手柄和与第一手柄连接的 第一杆，第一杆通过聚烯烃薄膜46和与聚烯烃薄膜46相连的钢丝21与第二杆连接；在布 层之前，聚烯烃薄膜46的一端卷绕在第一杆上，另一端与绕过第一旋转定位杆和第二旋转 定位杆的钢丝21连接，钢丝21的另一端卷绕并固定在第二杆上，第二手摇杆6包含螺母、 第二手柄和与第二手柄连接的第二杆，通过摇动第二手柄带动钢丝21卷绕在第二杆上，此 时聚烯烃薄膜46平铺在第一旋转定位杆19和第二旋转定位杆20之间，第一旋转定位杆19 和第二旋转定位杆20通过螺母分别与对应的下滑块连接，第一手摇杆5和第二手摇杆6结 构相同，如图7所示。
[0035] 出水装置包含出水喷头24、支架22、软管26和锁紧装置，出水喷头24通过锁紧装 置固定在支架22上，出水喷头24通过软管26与总出水管连接，出水喷头24顶部设有底座 23,出水喷头24出水处设有上孔板49和下孔板52,上孔板49和下孔板52上分布大小和排 列相同的若干孔，下孔板52可以在水平方向上微调，使得上孔板49和下孔板52上分布的 孔交错开。
[0036] 在本发明中，锁紧装置包括套管25和螺钉27,出水喷头24顶部设有底座23,套管 25与底座23连接，螺钉27穿过支架22与套管25连接，通过螺钉27头部抵住套管25达到 锁紧套管25的目的，第一旋转定位杆19和第二旋转定位杆20可绕各自的下滑块转动，并 可通过与其相连的螺母固定。
[0037] 在本发明中，立柱包括第一立柱1、第二立柱2、第三立柱3和第四立柱4,四根立柱 结构相同。第一立柱1上设有第一下滑块15,第二立柱2上设有第二下滑块16,第三立柱3 上设有第三下滑块17,第四立柱4上设有第四下滑块18,四个下滑块结构相同，如图10所 示；第一立柱1顶部设有第一上滑块7,第二立柱2顶部设有第二上滑块8,第三立柱3顶部 设有第三上滑块9,第四立柱4顶部设有第四上滑块10,四个上滑块结构相同，如图9所示。 第一上滑块7和第二上滑块8之间安装有第一连接杆53,第一连接杆53中间装有第一水准 管11 ;第二上滑块8和第三上滑块9之间安装有第二连接杆54,第二连接杆54上装有第二 水准管12 ;第三上滑块9和第四上滑块10之间安装有第三连接杆55,第三连接杆55中间 装有第三水准管13 ;第四上滑块10和第一上滑块7之间安装有第四连接杆56，第四连接杆 56中间装有第四水准管14。第一手摇杆5中的第一杆两端穿过第一下滑块15和第二下滑 块16,并可通过螺母固定；第二手摇杆6中的第二杆两端穿过第三下滑块17和第四下滑块 18并可通过螺母固定。第一旋转定位杆19通过螺母分别与第一下滑块15和第二下滑块 16连接，第二旋转定位杆20通过螺母分别与第三下滑块17和第四下滑块18连接。
[0038] 在本发明中，水箱包括第一水箱28和第二水箱43,第一水箱28通过水箱出水管与 进水管汇流后与总出水管连接，总出水管与软管26连接，水箱出水管上设有第一温度传感 器30、第一涡街流量计31和第一阀门32,进水管上设有第二温度传感器38、第二涡街流量 计36和第二阀门35,总出水管上设有第三温度传感器37、第三涡街流量计40和第三阀门 50。第二水箱43通过水箱进水管与总出水管连接，水箱进水管上设有第四阀门42,第一阀 门32、第二阀门35、第三阀门50和第四阀门42分别通过第一电机33、第二电机34、第三电 机39和第四电机41与控制器51连接。第一温度传感器30、第二温度传感器38、第三温度 传感器37、第一涡街流量计31、第二涡街流量计36和第三涡街流量计40分别与控制器51 连接。第一水箱28和第二水箱43里都设有加热管29和温度传感器47,第一水箱28里设 有液位传感器48,加热管29、温度传感器47和液位传感器48与控制器51连接，第二水箱 43通过装有水泵44的水管与第一水箱28连接，水泵44通过第五电机45与控制器51连 接。
[0039] 在本发明中，控制器51为计算机，第一上滑块7、第二上滑块8、第三上滑块9、第 四上滑块10、第一下滑块15、第二下滑块16、第三下滑块17、第四下滑块18、第二旋转定位 杆20、第一旋转定位杆19、第一手摇杆5和第二手摇杆6都可通过各自螺母锁紧固定。首 先根据精度的要求将水温连续分布的水库水体分为N层水温均匀的水层，计算各水层高度 及中间位置处水体温度；结合计算机软件（auto CAD、pro\E等），结合水库地形，计算各水层 中的水体体积，由此得出各个水层高度、水体温度及水体体积。根据以上前期工作，假定供 水系统已经调试完毕，将出水装置中的支架22垂直安装于水库边界外侧，且使出水喷头24 的出口处的孔板能够处于水库中央，布置定位装置于水库边界外侧，调节上滑块，使水平校 准装置中连接杆上的水准管中的气泡都处于中间位置。开始布设水层，具体操作步骤如下： 设最底层为第一层，水温T1，水量为VI，水层高度H1，调节出水装置的出水喷头24高度，使 其置于距库底垂向高度约（Hl+5cm)处，固定出水喷头24后，通过供水系统直接供应水温为 T1的淡水，其体积为VI，此即形成了水库第一个水层；静置约1分钟后开始布设第二层，设 第二层水层高度为H2,水温为T2,水层体积V2,调节出水喷头24的高度，使出水喷头24的 出水口置于距布设完成的第一层水体水面约（H2+5cm)处固定。调节第一下滑块15、第二下 滑块16、第三下滑块17和第四下滑块18于第一层水面上方适当位置，使调节后的第二旋转 定位杆20和第一旋转定位杆19能够贴着第一层水体水面，并使同一立柱上两个滑块的读 数差相同，即保持第一下滑块15、第二下滑块16、第三下滑块17和第四下滑在同一水平面， 通过下滑块上的外侧的螺母固定。转动第二手摇杆6,将与钢丝21相连的聚烯烃薄膜46拉 至第二杆并卷绕数匝，拧紧第二连接杆上的螺母，第二连接杆通过内部摩擦力作用固定。旋 转调节第二旋转定位杆20和第一旋转定位杆19,使聚烯烃薄膜46与第一层水体水面紧贴， 拧紧下滑块上的内侧的螺母，使第一旋转定位杆19和第二旋转定位杆20固定，拧紧第一连 接杆上的螺母使第一手摇杆5固定，通过供水系统直接供应水温为T2的淡水，其体积为V2， 此即形成了水库第二个水层，至出水完成后，调节出水装置的出水喷头24于适当位置，待 第二层水体静置1分钟后，缓慢地转动第一手摇杆5,直至与钢丝21相连的聚烯烃薄膜46 部分全部卷绕于第一杆上，松开下滑块上的内侧螺母，缓慢旋转定位杆，使其脱离水体后拧 紧，松开下滑块上的外侧的螺母，移动第一下滑块15、第二下滑块16、第三下滑块17和第四 下滑块18至适当位置布设第三个水层，如此循环，直至完成。
[0040] 供水系统工作原理：本发明中的供水系统由计算机自动控制出水水温、流量及供 水体积，减少了由于人为原因所造成的误差。本实验初始时刻，第一水箱28中的水的体积 应略大于水库库容，第一水箱28处于所有管道上方一定高度，使热水在重力作用下的出流 流速能够达到实验要求的最大流速要求；第二水箱43处于所有管道下方，使未达到要求的 水体能够自由流入。在实验开始前通过计算机控制的第一水箱28中的加热管29对第一水 箱28中的水体加热，直至达到本实验所需要的最大水温为止。在出水时，通过安装于水箱 出水管和进水管中的温度传感器和涡街流量计实时反馈水温和流量，通过计算机软件自动 分析计算，对热水流量和冷水流量进行初步分配，并通过与计算机连接的电机分别控制热 水出水管和冷水进水管中的阀门，最终达到初步控制总出水管中水流温度及水流流速的目 的。对于总出水管中水流的温度也会被温度传感器37实时监测，不符合要求的水流，则通 过管道流入第二水箱43中，符合要求的水流则通过总出水管为水库供水，达到二次精确控 制水温的目的。对于第二水箱43,设定为实时加热，通过第二水箱43中的温度传感器47反 馈第二水箱43中的水温值，加热达到的最高水温为实验要求的最高水温，当第二水箱43中 水温达到最高温度时，根据需要或第一水箱28中的水位低于液位传感器48时，在供水系统 未供水时段通过计算机控制的水泵44补充第一水箱28,以此实现水资源循环利用的目的。 当第二水箱43中的水位高于溢水口位置时，通过溢水口自动排出。如根据事先录入计算机 控制软件中的水库水温、流量及供水体积要求分别为?；、和％，打开供水系统开始供水， 第一温度传感器30和第二温度传感器38反馈的温度分别为?\、Τ 2，第一涡街流量计31和 第二涡街流量计36测得流量分别为Qi、Q2，计算机51通过公式（1. 1)和公式（1. 2)精确计 算得热水流量和冷水流量Q/、Q2'，并与实时反馈的流量比较，计算机通过电机调节第一阀 门32和第二阀门35,使出水流量及温度初步达到要求，通过第三温度传感器37反馈的水流 温度微调节第一阀门32和第二阀门35,以达到精确调节的目的。对于未达要求水流，通过 计算机51控制第四电机41和第三电机39,关闭第三阀门50,打开第四阀门42,水流进入 第二水箱43 ;对于达到要求的水流，则关闭第四阀门42,打开第三阀门50,水流通过总出水 管道供水。根据第三涡街流量计40实时反馈的出水流量％，通过公式（1.3)计算出供水时 间，当达到设定供水体积值时自动关闭第三阀门50。
[0041 ] Q i+Q 2 = Q〇 (1· 1)
[0042] 1*T1+Q,2*T2 = Q〇*T〇 (1. 2)
[0043] V = Q〇*t (1. 3)
[0044] 本发明中的出水装置作用有两个：为出水喷头24定位及二次控制出水流速。由于 初步的流量设定带有一定的经验性，如果实际中的出水流速对下层水体的扰动较大，则通 过水平微调下层孔板52,使上层孔板49上的孔与下层孔板52中的孔形成错位，达到减少出 流流速的目的，如图5所示，出水喷头24有一定的容纳滞留水体的空间。
[0045] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本【技术领域】的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种水库水温初始分层模拟系统，其特征在于：包括供水系统、定位装置和出水装 置； 所述供水系统包括电机、阀门、控制器、进水管、总出水管、温度传感器、涡街流量计、水 箱、加热管和液位传感器，水箱通过水箱出水管与进水管汇流后与总出水管连接，所述水箱 出水管、进水管和总出水管上分别设有温度传感器、涡街流量计和阀门，每个阀门都通过电 机与控制器连接，每个温度传感器和涡街流量计检测数据传输给控制器，总出水管与出水 装置连接，加热管与温度传感器和液位传感器连接，加热管、温度传感器和液位传感器都与 控制器连接； 所述定位装置包含水平校准装置、下滑块、聚烯烃薄膜、手摇杆、可旋转定位杆和立柱， 所述立柱包括刻有刻度的四根立柱，每个立柱上套有下滑块，立柱垂直立于水库边界外部， 立柱顶部设有水平校准装置；所述水平校准装置包括中间部位装有水准管的四根连接杆和 四个上滑块，每根连接杆两端与相连的两个上滑块连接，每个上滑块位于一根立柱上，通过 每个立柱上套有的上滑块调平水平校准装置；可旋转定位杆包含第一旋转定位杆和第二旋 转定位杆，第一旋转定位杆和第二旋转定位杆连接在下滑块上，相邻两根立柱上设有第一 手摇杆，另外两根立柱之间设有第二手摇杆，第一手摇杆和第二手摇杆都穿过对应的两个 下滑块，所述聚烯烃薄膜一端卷绕在第一手摇杆上，另一端通过钢丝绕过第一旋转定位杆 和第二旋转定位杆与第二手摇杆连接； 所述出水装置包含出水喷头、支架、软管和锁紧装置，所述出水喷头上部设有底座，底 座与锁紧装置相连，并通过锁紧装置固定在支架上，出水喷头通过软管与总出水管连接。
2. 根据权利要求1所述的水库水温初始分层模拟系统，其特征在于：所述锁紧装置包 括套管和螺钉，所述套管穿过支架与出水喷头底座连接，螺钉穿过支架固定锁紧套管位置。
3. 根据权利要求2所述的水库水温初始分层模拟系统，其特征在于：所述出水喷头出 口处设有上层孔板和相对于上层孔板移动的下层孔板，上层孔板和下层孔板每个孔板上分 布相同的若干孔。
4. 根据权利要求1所述的水库水温初始分层模拟系统，其特征在于：所述第一旋转定 位杆和第二旋转定位杆通过螺母与各自下滑块连接，第一旋转定位杆和第二旋转定位杆可 绕对应下滑块转动及固定。
5. 根据权利要求1所述的水库水温初始分层模拟系统，其特征在于：所述水箱包括第 一水箱和第二水箱，第一水箱和第二水箱分别均包含加热管和温度传感器，其中第一水箱 中还包含液位传感器，加热管通过控制器控制，温度传感器和液位传感器与控制器连接。所 述第一水箱与水箱出水管连接，第二水箱设有与总出水管连接的水箱进水管，水箱进水管 上设有阀门，阀门通过电机与控制器连接，第一水箱和第二水箱之间设有水泵，水泵通过第 五电机与控制器连接。
6. 根据权利要求5所述的水库水温初始分层模拟系统，其特征在于：所述第二水箱设 有溢流口。
【文档编号】E02B1/02GK104047260SQ201410228854
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】陈辉, 董壮, 郭帅杰, 梅家鹏 申请人:河海大学