一种闸堰泄流模拟实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及泄流模拟相关技术领域，具体涉及一种闸堰泄流模拟实验装置及其实验方法。

背景技术：

水利工程中，为防洪、灌溉、航运、发电等要求，需修建溢流坝、水闸等控制水流的水工建筑物。例如，溢流坝、水闸底槛、桥孔和无压涵洞进口等。堰是顶部过流的水工建筑物。堰是水闸常采用的泄水建筑物，它的泄水能力计算是水利工程设计和工程管理中的重要问题。淹没度对泄流能力有重要的影响。在高淹没度条件下过堰流流态复杂，流量计算受淹没度、流量系数、上下游水位的影响，过堰流量不易准确计算。因此，有必要对各种堰体在高淹没条件下的流量计算进行深入的研究，以提高过堰流量计算的精度，保证过流建筑物的安全。同时为了提高研究的直观性和实验教学的需要，我们提出一种闸堰泄流模拟实验装置及其实验方法以解决上述问题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种闸堰泄流模拟实验装置及其实验方法，能够模拟薄壁堰、实用堰、宽顶堰的堰流状态，可以直观的观察到水流的动向和过堰后的能量损耗，对研究和教学都具有十分重要的意义。

为了实现上述目的，本发明采用的一种闸堰泄流模拟实验装置，包括模拟水道、水循环机构、水闸机构、堰体模型、水流监测机构；所述模拟水道包括水道侧壁和水道底板，所述水道底板两侧密封垂直固定有水道侧壁；所述堰体模型安装在水道底板的中间处，所述堰体模型阻碍了水流在模拟水道的通过；所述水闸机构安装在堰体模型的顶部，用于控制水流的通过；所述水循环机构连通模拟水道的两端，用于水流的模拟和回收；所述水流监测机构安装在水闸机构的上游，用于观察水流的流动变化。

在上述方案中，采用了各个机构进行组装的方式进行制备实验装置，能够在任何地方进行拆装装置，方便在各地进行实验，对研究和教学具有重要意义。

作为上述方案的进一步优化，所述模拟水道的水道侧壁和水道底板由塑料制成，其中水道底板在水闸机构与下游的连接处挖设有模拟消力池。

在上述方案中，塑料制品成本低，具有足够的机械强度，在热环境下能够方便成型，具有易加工的优点；同时消力池的加入能够真实模拟实际河道内的环境。

作为上述方案的进一步优化，所述水循环机构包括蓄水池、泵室和回水管道，所述泵室安装在模拟水道的上游端口处，所述回水管道一端安装在模拟水道的下游端口处，所述回水管道另一端安装在泵室的回水口，所述泵室出水口朝向模拟水道的上游端口。

在上述方案中，蓄水池能够在实验开始前将水储满，方便在不易接到水源的地方进行实验；泵室能够将出水流量控制在需要的范围内，具有较高的实验精度；回水管道可将过堰的水流重新倒流至泵室内，泵室进而将水重新回收到蓄水池内，不影响实验环境，同时也可以进行多次实验，保证了实验的高质量完成。

作为上述方案的进一步优化，所述泵室内安装有喷水泵和回水泵，所述喷水泵的进水口接通蓄水池的底部，所述喷水泵的出水口连通泵室出水口；所述回水泵的进水口连通泵室的回水口，所述回水泵的出水口连通蓄水池的顶部。

在上述方案中，喷水泵的进水口从蓄水池底部接水，能够最大化的利用蓄水池内的水；回水泵的出水口则连通蓄水池顶部，能够最大程度的降低回水泵的工作负载。

作为上述方案的进一步优化，所述喷水泵的的出水口的宽度与水道底板的宽度之比为λ，其中λ的取值范围在0.6-0.9。

在上述方案中，喷水泵的出水口宽而扁，能够最大限度的模拟水流的实际状态，减少在大流量的情况下，因为出水口较小而形成水流速度极快的现象。

作为上述方案的进一步优化，所述水闸机构包括中墩、边墩和水闸，所述边墩对称安装在两边的水道侧壁上，所述中墩安装在边墩中间，所述水闸安装在两个边墩之间，所述水闸两端安装有升降机，所述升降机用于升降水闸。

在上述方案中，中墩、边墩和水闸实际模拟了真实的河道堰顶的状况，能够模拟实际河道内的堰流情况。

作为上述方案的进一步优化，所述水流监测机构包括针管和漏斗，所述漏斗中部设有挡板，所述挡板将漏斗水平横跨在模拟水道上，所述漏斗底部连通有针管。

在上述方案中，挡板能够将漏斗稳定的放在模拟河道上，漏斗方便有色颜料的倒入，而针管可以将堰流注射到水体中。

作为上述方案的进一步优化，所述针管顶部与漏斗底部连通，所述针管一分为三跟相同的针管，三根针管之间等距且彼此连通；所述针管在上、中、下部分别均匀开设有孔洞。

在上述方案中，针管一分为三，使得三根针管能够深入到模拟河道的左、中、右三个位置，同时针管在上、中、下部分别均匀开设有孔洞；使得模拟河道内在上游同一个截面内形成一个3×3均匀分布的九个孔洞，这九个孔洞内同时释放有色颜料，有色颜料跟随水流前进，通过观察有色颜料的痕迹，即可观察到水流的状态，具有实验的直观性。

作为上述方案的进一步优化，所述堰体模型顶部宽度与堰上水头高度之比β分别有三种类型，β＜0.67、0.67＜β＜2.5、2.5＜β＜10；堰上水头的高度一定，堰体模型根据β值分别有薄壁堰、实用堰、宽顶堰三种模型。

在上述方案中，三种不同类型的堰体模型，准确的模拟了薄壁堰、实用堰、宽顶堰三种模型，能够模拟目前已知的堰体，具有实用价值。

一种闸堰泄流模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

第一步，装配各组件，连接各自线路，检查设备完整性，关闭所有水泵，蓄水池内装满水；

第二步，选择堰体模型，包括，薄壁堰，实用堰，宽顶堰；

第三步，打开水泵向模拟水道内注水，直至堰上水头高度达到设计位置；

第四步，升起水闸，水闸升起高度根据试验需求分别水闸部分脱离水面和水闸完全脱离水面；

第五步，向漏斗内倒入有色液态颜料，观察颜料从针管流出后，随水流的变化，并拍摄记录；

第六步，使用水流测速设备对堰体模型的上游水流速度和下游水流速度分别进行测速，并通过控制喷水泵的工作状态达到上游水流速度的实验要求；

第七步，数据整理，得出不同类型堰体模型分别在不同上游水流速度的条件下，水流在模拟水道内的流动状态。

在上述实验方法中，能够模拟多种上游水流速度下的不同堰体在不同开闸条件的水流状态。

本发明的一种闸堰泄流模拟实验装置及其实验方法，具备如下有益效果：

1.本发明的一种闸堰泄流模拟实验装置及其实验方法，组装方便，可以在任何合理的环境下进行实验，且自带蓄水池，不必从外界接入水源进行实验，满足了再室内、户外等多种条件下的实验需求。

2.本发明的一种闸堰泄流模拟实验装置及其实验方法，具有水循环机构，通过泵室和回水管道的配合将过堰的水体重新回收到蓄水池内，不会将水释放到外界，保证了实验环境的整洁，同时也使得实验能够持续进行，直至不再需要实验，能够拥有充足的时间进行详细的研究和数据采集。

3.本发明的一种闸堰泄流模拟实验装置及其实验方法，采用多种堰体模型，能够模拟目前已知的各种堰流情况，能够在实验中得到各种堰流的实验数据，具有实用价值。

附图说明

图1为本发明的模拟水道的侧面剖面示意图；

图2为本发明的实验装置的俯视示意图；

图3为本发明的水流监测机构的装配示意图；

图4为本发明的实验装置的侧面示意图；

图5为本发明的泵室与模拟水道连接面的示意图；

图6为本发明的泵室和蓄水侧的侧面剖面示意图；

图7为本发明的泵室和蓄水池俯视剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：一种闸堰泄流模拟实验装置包括模拟水道、水循环机构、水闸机构、堰体模型、水流监测机构；模拟水道包括水道侧壁和水道底板，水道底板两侧密封垂直固定有水道侧壁；堰体模型安装在水道底板的中间处，堰体模型阻碍了水流在模拟水道的通过；水闸机构安装在堰体模型的顶部，用于控制水流的通过；水循环机构连通模拟水道的两端，用于水流的模拟和回收；水流监测机构安装在水闸机构的上游，用于观察水流的流动变化。

在本发明中，采用了各个机构进行组装的方式进行制备实验装置，能够在任何地方进行拆装装置，方便在各地进行实验，对研究和教学具有重要意义。

模拟水道的水道侧壁和水道底板由塑料制成，其中水道底板在水闸机构与下游的连接处挖设有模拟消力池；其中模拟水道的长、宽、高分别为25米、0.80米、0.90米。

在本发明中，塑料制品成本低，具有足够的机械强度，在热环境下能够方便成型，具有易加工的优点；同时消力池的加入能够真实模拟实际河道内的环境。

水循环机构包括蓄水池、泵室和回水管道，泵室安装在模拟水道的上游端口处，回水管道一端安装在模拟水道的下游端口处，回水管道另一端安装在泵室的回水口，泵室出水口朝向模拟水道的上游端口。

在本发明中，蓄水池能够在实验开始前将水储满，方便在不易接到水源的地方进行实验；泵室能够将出水流量控制在需要的范围内，具有较高的实验精度；回水管道可将过堰的水流重新倒流至泵室内，泵室进而将水重新回收到蓄水池内，不影响实验环境，同时也可以进行多次实验，保证了实验的高质量完成。

泵室内安装有喷水泵和回水泵，喷水泵的进水口接通蓄水池的底部，喷水泵的出水口连通泵室出水口；回水泵的进水口连通泵室的回水口，回水泵的出水口连通蓄水池的顶部。

在本发明中，喷水泵的进水口从蓄水池底部接水，能够最大化的利用蓄水池内的水；回水泵的出水口则连通蓄水池顶部，能够最大程度的降低回水泵的工作负载。

喷水泵的的出水口的宽度与水道底板的宽度之比为λ，其中λ的取值范围在0.6-0.9。

在本发明中，喷水泵的出水口宽而扁，能够最大限度的模拟水流的实际状态，减少在大流量的情况下，因为出水口较小而形成水流速度极快的现象。

水闸机构包括中墩、边墩和水闸，边墩对称安装在两边的水道侧壁上，中墩安装在边墩中间，水闸安装在两个边墩之间，水闸两端安装有升降机，升降机用于升降水闸。

在本发明中，中墩、边墩和水闸实际模拟了真实的河道堰顶的状况，能够模拟实际河道内的堰流情况。

水流监测机构包括针管和漏斗，漏斗中部设有挡板，挡板将漏斗水平横跨在模拟水道上，漏斗底部连通有针管。

在本发明中，挡板能够将漏斗稳定的放在模拟河道上，漏斗方便有色颜料的倒入，而针管可以将堰流注射到水体中，其中有色颜料包括但不限于高锰酸钾溶液。

针管顶部与漏斗底部连通，针管一分为三跟相同的针管，三根针管之间等距且彼此连通；针管在上、中、下部分别均匀开设有孔洞；相连针管之间的间距为0.3米，每根征管的长度为0.85米。

在本发明中，针管一分为三，使得三根针管能够深入到模拟河道的左、中、右三个位置，同时针管在上、中、下部分别均匀开设有孔洞；使得模拟河道内在上游同一个截面内形成一个3×3均匀分布的九个孔洞，这九个孔洞内同时释放有色颜料，有色颜料跟随水流前进，通过观察有色颜料的痕迹，即可观察到水流的状态，具有实验的直观性。

堰体模型顶部宽度与堰上水头高度之比β分别有三种类型，β＜0.67、0.67＜β＜2.5、2.5＜β＜10；堰上水头的高度一定，堰体模型根据β值分别有薄壁堰、实用堰、宽顶堰三种模型；其中堰体的高度均为0.45米。

在本发明中，三种不同类型的堰体模型，准确的模拟了薄壁堰、实用堰、宽顶堰三种模型，能够模拟目前已知的堰体，具有实用价值。

一种闸堰泄流模拟实验装置的实验方法，包括以下步骤：

第一步，装配各组件，连接各自线路，检查设备完整性，关闭所有水泵，蓄水池内装满水；

第二步，选择堰体模型，包括，薄壁堰，实用堰，宽顶堰，其中薄壁堰，实用堰，宽顶堰的堰顶宽度分别为0.2米、0.7米、2米；

第三步，打开水泵向模拟水道内注水，直至堰上水头高度达到0.3米；

第四步，升起水闸，水闸升起高度根据试验需求分别水闸部分脱离水面和水闸完全脱离水面；

第五步，向漏斗内倒入高锰酸钾溶液，观察高锰酸钾溶液从针管流出后，随水流的变化，并拍摄记录；

第六步，使用水流测速仪对堰体模型的上游水流速度和下游水流速度分别进行测速，并通过控制喷水泵的工作状态达到上游水流速度的实验要求，数据测量次数至少为三次，且要去除明显不合理的数据，取数据的平均值；

第七步，数据整理，得出不同类型堰体模型分别在不同上游水流速度的条件下，水流在模拟水道内的流动状态。

在上述实验方法中，能够模拟多种上游水流速度下的不同堰体在不同开闸条件的水流状态。

仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。