专利名称：一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置的制作方法
技术领域：
本发明属于环境流体力学、水利工程领域，具体涉及一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置。
背景技术：
近几十年来，泥沙研究一直是环境学科和水利学科共同关注的课题，而水槽是研究泥沙特性的重要设备。水槽可用于试验研究颗粒泥沙的冲刷、沉降、输移等基本规律以及某些水利特性，此外也可进行物理选沙模型等试验研究。水槽按形状主要包括:直水槽、环形水槽、折返式直水槽、组合式循环水槽。直水槽与折返式水槽都具有占地面积大的缺点，比如浙江大学研制的折返式直水槽有7道，总长度为339.3 m。而杭州大学研制的组合式循环水槽，保留了直水槽及环形水槽的某些优点，但是构造复杂。环形水槽最早由美国麻省理工学院研制，后佛罗里达大学进行了较大的改进。环形水槽主要有两个方面的特点:I)无入流口和流出口的影响，当水槽以一定速度转动时，水槽内所有断面的水流状态是一样的。即环形水槽相当于各断面水流状态相同的无限长的水槽，满足细颗粒泥沙絮凝过程所需的时间和漫长的沉降距离的要求。2)无回水装置，不破坏细颗粒泥沙在盐水条件下的絮凝状态，所得试验结果更符合天然泥沙运动的过程。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流存在。弯曲水流中横向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，产生新的力和离心力平衡，从而消弱由离心力产生的横向流，环形水槽能否消除横向流是被评估设备性能的关键。环形水槽最大程度限制消除横向流的基本原理:1)当环形槽转动时，由相对运动原理，水槽内便形成与水槽运转方向相反的水流，但同时受离心力作用，产生向外的横向次流，这种状态下泥沙靠水槽外侧运动；2)当剪切环嵌入水槽并与槽内水面接触转动时，水槽内便产生于剪力环运动方向相同的水流。此时，由于沿槽宽受环圈剪力作用大小的差异，产生向内的横向次流。这种运动状态下泥沙靠水槽内侧运动；3)若使得环形水槽与剪切环以一定比例的旋转速度同时转动，且其转动方向相反，则水槽内的横向次流大部分互相抵消，限制在很小的程度上，而合成较均匀的紊动水流。国内外已有环形水槽一般由环形水槽、剪切环和驱动三部分组成。1986年，天津水运工程科学研究所自制了环形水槽，利用该水槽研究了港口泥沙水利特性，计算分析港口航道泥沙淤积。2012年，河海大学申请了“一种双向环形水槽系统”发明专利，该水槽宽200 mm,高 500 mm，精度为 1.0 cm/s,流速在 0-120 cm/s。尽管环形水槽已在多种研究中得到运用，但简化水槽高速运转时人工取样操作以及准确率定水槽内实际水流速度，消除横向环流，达到高精度水流调速一直是实现环形水槽推广的关键。本发明中所述环形水槽有别于其他环形水槽特点之一在于环形水槽使用高精度交流伺服电机，水流线速度调节可精确到1.0 mm/s，精度非常高；特点之二在于结合了SonTek公司的声学多普勒测速仪(Acoustic Dopier Velocimetry, ADV),该ADV可读取三维点速，采样率可高达25赫兹，水流速度测试精确至0.1 mm/s，从而准确校验了水槽内实际流速，消除横向环流；特点之三在于控制柜的设计优化了水槽操作，自行研制的遥控采样装置反应灵敏，液晶显示屏触屏控制水槽旋转、剪切环升降以及自动采样，多档切换灵活。
发明内容
本发明目的在于提供一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置。本发明提出的可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置，所述装置由环形水槽、剪切环、传动系统、取样系统和在线控制柜组成，其中:
所述环形水槽I包括环片6、支撑片7、钢结构支架11、环形水槽内壁28、环形水槽外壁29和环圆板30，环形水槽内壁28固定于环圆板30的内圈上方，环形水槽外壁29固定于环圆板30的外圈上方，构成环形水槽框架，环形水槽框架的中上部设有环片6，所述环片6的内圈直径小于环形水槽内壁28的内径，外圈直径大小环形水槽外壁29的外径；环片6通过支撑片7固定于环圆板30上方；所述环圆板30底部通过螺丝31固定在钢结构支架11上，所述钢结构支架11由均匀分布的8根第三钢管组成，在8根第三钢管的下方设有8根钢管支架12，8根第三钢管和8根第三钢管支架12分别焊接在轴套上；第三钢管支架12固定于支座17上；
所述剪切环2由剪切环内壁25、剪切环外壁26和第二钢管27组成，剪切环内壁25和剪切环外壁26同轴布置，第二钢管27均匀布置于剪切环2上；
所述传动系统包括剪切环升降系统和旋转控制系统，剪切环升降系统包括第一钢管3、第一钢管支架4、第三交流伺服电机18、顶部吊紧机构19和升降杆21，顶部吊紧机构19 一端连接第三交流伺服电机18、第三交流伺服电机18连接导线20，所述导线20位于升降杆21内，第一钢管支架4 一端通过调节螺丝5固定于剪切环2上，第一钢管3 —端固定于第一钢管支架4 一端上，第一钢管3和第一钢管支架4另一端分别固定于顶部吊紧机构19上；所述放置控制系统包括第一皮带盘13、第二皮带盘14、第一交流伺服电机15和第二交流伺服电机16,所述第一交流伺服电机15和第二交流伺服电机16分别固定于支座17上,第一交流伺服电机15通过第一皮带盘13带动环形水槽转动，第二交流伺服电机16通过第二传动皮带盘14带动剪切环转动；
所述取样系统包括取样孔8和取样瓶9，环形水槽外壁不同高度均匀布设5个取样孔8，所述取样孔8通过橡皮管与取样瓶9采用卡槽连接，便于在环形水槽转动时更换取样瓶
9;在环形水槽底部安装有微型电磁阀，每个微型电磁阀与相应的信号接收器连接，所述电磁阀和信号接收器与控制柜22连接，当信号接收器接收到控制信号后就会控制电磁阀自动采样；环形水槽底部设有出流孔，以便排水。本发明中，所述控制柜22包括电源控制器、环形水槽伺服控制器、剪切环伺服控制器、升降伺服控制器、取样伺服控制器以及液晶显示屏；其中:电源控制器分别连接环形水槽伺服控制器、剪切环伺服控制器、升降伺服控制器、取样伺服控制器以及液晶屏幕；环形水槽伺服控制器连接第一交流伺服电机15，剪切环伺服控制器连接第二交流伺服电机16，升降伺服控制器与第三交流伺服电机18连接，取样伺服控制器可对装在环形水槽底部的信号接收器发射信号。
本发明中，环圆板30外缘设有装饰圈10，所述装饰圈10可以采用蓝色PVC板。本发明中，为便于率定水槽内实际流速，在底部环圆板中央开一孔，插入声学多普勒测速仪(々0￥_仰视探头24 ;在剪切环中央开设一孔，插入声学多普勒测速仪俯视探头23，探头均可拆卸以及调节深度。底部和顶部声学多普勒测速仪系统由ADV探头、无线发射装置构成，分别用PVC板焊制简易收纳装置，用于收纳无线发射装置。底部收纳装置固定在钢管支架12之间，顶部收纳装置固定在钢管3之间，升降系统顶部安装两个插座，予ADV与无线发射装置供电。本发明相比于其他环形水槽具有如下优点:
(1)利用高精度交流伺服电机带动环形水槽与剪切环旋转，水速调节可精确至1.0 mm/
s ；
(2)本水槽可结合声学多普勒测速仪ADV实时记录水速，ADV可读取三维点速，采样率高达25赫兹，测试水速精度可至0.1 mm/s，从而更为准确地率定转数与实际水速之间的关系;
(3)控制柜实现多档同时控制，遥控采样装置反应灵敏，操纵灵活。
图1为本发明中环形水槽装置的结构示意图。图2为本发明中剪切环2剖面图。图3为本发明中环形水槽I剖面图。图4为本发明中环形水槽装置传动轴剖面图。图中标号:1_环形水槽；2_剪切环；3_第一钢管；4_第一钢管支架；5_调节螺丝；6-环形水槽内外壁环片；7_环形水槽内外壁支撑片；8_取样孔；9-取样瓶；10-装饰圈；
11-环形水槽底部钢结构支架；12_第三钢管支架；13_第一皮带盘；14_第二皮带盘；15_第一交流伺服电机；16_第二交流伺服电机；17_支座；18_第三交流伺服电机；19_顶部吊紧机构；20_导线；21_升降杆；22_控制柜；23-ADV俯视探头；24_ADV仰视探头；25_剪切环内壁；26_剪切环外壁；27_第二钢管；28_环形水槽内壁；29_环形水槽外壁；30_环圆板；31-螺丝。
具体实施例方式下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。实施例1:
如图1-图4所示，所述环形水槽装置由环形水槽、剪切环、传动系统、取样系统、在线控制柜五个部分组成。环形水槽I内外壁材料均为有机玻璃，玻璃厚度为10 mm。环形水槽内壁28内径为1400 mm，高为400 mm ;环形水槽外壁29外径为2000 mm，高为450臟，用有机玻璃焊条将环形水槽内壁28和环形水槽外壁29固定在内径1240 mm、外径2160 mm的有机玻璃环圆板30上，再整体用螺丝31固定在底部钢结构支架 11上，该钢架结构支架11由8根钢管组成，同时由下方8根第三钢管支架12支撑，所述第三钢管支架12材质为钢管，上下8根钢管分别焊接在轴套上。环形水槽内外壁离底部环圆板300 mm处分别有一圈内径1300 mm、夕卜径1400 mm和内径2000 mm、外径2100 mm的环片6，环片6与底部环圆板30之间设24块玻璃片作为支撑片7，用玻璃焊条将24块玻璃片固定于底部环圆板30上。底部环圆板30外缘采用蓝色PVC板作为装饰圈10进行装饰。本发明中，剪切环2内外壁材料均为有机玻璃，玻璃厚度为10 mm。剪切环内径25为1402 _，剪切环外径26为1998 _。本发明中，传动系统包括剪切环升降系统和旋转控制系统。其中剪切环升降系统由安装在顶部钢结构支架上的第三交流伺服电机18与升降伺服控制器相连，可控制剪切环2的升降，供电导线20沿着升降杆21布设落地，剪切环升降限位300 mm。剪切环2中央开设8个螺孔，利用调节螺丝5，使第一钢管3将剪切环掉起，8根第一钢管分别焊接在8根第一钢管支架4上，一并焊接于顶部吊紧机构19。旋转控制系统由两台固定在支座17的底部支架上的第一交流伺服电机15和第二交流伺服电机16构成，第一交流伺服电机15、第二交流伺服电机16的功率分别为1500 w, 1000 W，转速为5000转/分。第一交流伺服电机15通过第一皮带盘13带动环形水槽转动,第二交流伺服电机16通过第二皮带盘14带动剪切环2转动。本发明中，环形水槽I外壁不同高度均匀布设5个取样孔8，用橡皮管与取样瓶9通过卡槽连接，便于在环形水槽转动时更换取样瓶9。在环形水槽底部安装5个微型电磁阀和5个信号接收器，并与控制柜22中取样伺服控制器连接，当信号接收器接收到控制信号后就会控制电磁阀自动采样。环形水槽底部设有一个出流孔，以便排水。本发明中，控制柜22主要包括电源控制器、环形水槽伺服控制器、剪切环伺服控制器、升降伺服控制器、取样伺服控制器以及液晶显示屏。本发明中,环形水槽装置的支座17高I m,支座17的底部支架用于固定第一交流伺服电机15、第二交流伺服电机16，以及第一皮带盘13、第二皮带盘14。本发明中，为便于率定水槽内实际流速，在底部环圆板30中央开一孔直径40 mm,插入声学多普勒测速仪仰视型探头24 ;在剪切环2中央开设一孔直径40 mm，插入声学多普勒测速仪俯视型探头23，探头均可拆卸以及调节深度。底部和顶部声学多普勒测速仪系统由ADV探头、无线发射装置构成，分别用PVC板焊制简易收纳装置，用于收纳无线发射装置。底部收纳装置固定在第三钢管支架12之间，顶部收纳装置固定在第一钢管3之间，升降系统顶部安装两个插座，予ADV探头与无线发射装置供电。将所述装置用于环形水槽的调试-消除横向环流:
步骤一，打开控制柜22电源，打开顶部ADV俯视探头23。剪切环2不动，调节环形水槽转数。将笔记本电脑、ADV俯视探头23、无线路由器三者组成局域网，登录ADV软件操作界面，获取ADV俯视探头数据。ADV俯视探头可测水流三维点速。记录转数以及相应纵向、横向水流速度，得到环形水槽转数与流速对应关系。通过多次试验得到垂直方向速度约为零，横向速度约为纵向速度的六分之一，同时根据ADV俯视探头实时反应的水流速度，可确定本水槽运行稳定。步骤二，环形水槽不动，转动剪切环。打开底部ADV仰视探头24，同步骤一中使用方法，读取ADV仰视探头24数据，记录转数以及相应纵向、横向水流速度。通过多次试验得到垂直方向速度约为零，横向速度约为纵向速度的六分之一，同时根据ADV仰视探头24实时反应的水流速度，可确定本水槽运行稳定。
步骤三，根据环形水槽转数、剪切环转数与水流对应关系，在产生等值反向的横向速度基础上，控制上下圆盘转速比，以此消除横向环流。实施例2:采用实施例1如述装置，环形水槽中颗粒物浓度的简易测试方法，此处以粉末活性炭为例
步骤一，使用橡皮管在环形水槽中加水至30cm高度，配制粉末活性炭浓度为2、5、10、15、20、25、30 mg/L。根据流体力学原理，通过文献或试验方式得到粉末活性炭不发生沉降的临界剪切力，继而换算得到水槽内流速。本试验所用粉末活性炭的临界沉降剪切力为0.6Pa，相应水流速度应为43 cm/s，只转动环形水槽，不开启剪切环，则对应环形水槽转数为
10r/min。调节环形水槽转速达到15 r/min,使得流速远大于临界流速,沉在底部的粉末活性炭全部被冲刷起，待水槽运行稳定后，取水样10 ml测其浊度值，以各浓度为变量，以浊度值为应变量，得到标准曲线。步骤二，当正常运行时，按率定结果，调整上下盘转数比。设定自动采样间隔时间，取完水样，更换取样瓶。水样分析，只需测其浊度值，再代入标准曲线公式，即可得颗粒物浓度。
权利要求
1.可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置，所述装置由环形水槽、剪切环、传动系统、取样系统和在线控制柜组成，其特征在于: 所述环形水槽(I)包括环片(6)、支撑片(7)、钢结构支架(11)、环形水槽内壁(28)、环形水槽外壁(29)和环圆板(30)，环形水槽内壁(28)固定于环圆板(30)的内圈上方，环形水槽外壁(29)固定于环圆板(30)的外圈上方，构成环形水槽框架，环形水槽框架的中上部设有环片(6)，所述环片(6)的内圈直径小于环形水槽内壁(28)的内径，外圈直径大小环形水槽外壁(29)的外径；环片(6)通过支撑片(7)固定于环圆板(30)上方；所述环圆板(30)底部通过螺丝(31)固定在钢结构支架(11)上，所述钢结构支架(11)由均匀分布的8根第三钢管组成，在8根第三钢管的下方设有8根钢管支架(12)，8根第三钢管和8根第三钢管支架(12)分别焊接在轴套上；第三钢管支架(12)固定于支座(17)上； 所述剪切环(2)由剪切环内壁(25)、剪切环外壁(26)和第二钢管(27)组成，剪切环内壁(25)和剪切环外壁(26)同轴布置，第二钢管(27)均匀布置于剪切环(2)上； 所述传动系统包括剪切环升降系统和旋转控制系统，剪切环升降系统包括第一钢管(3)、第一钢管支架(4)、第三交流伺服电机(18)、顶部吊紧机构(19和升降杆(21)，顶部吊紧机构(19) 一端连接第三交流伺服电机(18)、第三交流伺服电机(18)连接导线(20)，所述导线(20)位于升降杆(21)内，第一钢管支架(4) 一端通过调节螺丝(5)固定于剪切环(2)上，第一钢管(3) —端固定于第一钢管支架(4) 一端上，第一钢管(3)和第一钢管支架(4)另一端分别固定于顶部吊紧机构(19)上；所述放置控制系统包括第一皮带盘(13)、第二皮带盘(14)、第一交流伺服电机(15)和第二交流伺服电机(16)，所述第一交流伺服电机(15)和第二交流伺服电机(16)分别固定于支座(17)上，第一交流伺服电机(15)通过第一皮带盘(13)带动环形水槽转动，第二交流伺服电机(16)通过第二传动皮带盘(14)带动剪切环转动； 所述取样系统包括取样孔(8)和取样瓶(9)，环形水槽外壁不同高度均匀布设5个取样孔(8)，所述取样孔(8)通过橡皮管与取样瓶(9)采用卡槽连接，便于在环形水槽转动时更换取样瓶(9);在环形水槽底部安装有微型电磁阀，每个微型电磁阀与相应的信号接收器连接，所述电磁阀和信号接收器与控制柜(22)连接，当信号接收器接收到控制信号后就会控制电磁阀自动采样；环形水槽底部设有出流孔，以便排水。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述控制柜(22)包括电源控制器、环形水槽伺服控制器、剪切环伺服控制器、升降伺服控制器、取样伺服控制器以及液晶显示屏；其中:电源控制器连接环形水槽伺服控制器、剪切环伺服控制器、升降伺服控制器、取样伺服控制器以及液晶显示屏；环形水槽伺服控制器连接第一交流伺服电机(15)，剪切环伺服控制器连接第二交流伺服电机(16)，升降伺服控制器与第三交流伺服电机(18)连接，取样伺服控制器对装在环形水槽底部的信号接收器发射信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于环圆板(30)外缘设有装饰圈(10)，所述装饰圈(10)采用蓝色PVC板。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于在底部环圆板中央开一孔，插入声学多普勒测速仪仰视探头(24);在剪切环中央开设一孔，插入声学多普勒测速仪俯视探头(23)。
全文摘要
本发明涉及一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置，所述环形水槽包括环片、支撑片、钢结构支架、环形水槽内壁、环形水槽外壁和环圆板，所述剪切环由剪切环内壁、剪切环外壁和钢管组成，所述传动系统包括剪切环升降系统和旋转控制系统，剪切环升降系统包括钢管、钢管支架、交流伺服电机、顶部吊紧机构和升降杆，所述放置控制系统包括皮带盘和交流伺服电机，所述取样系统包括取样孔和取样瓶，本发明结合声学多普勒测速仪实时读取水槽中三维点速，采样率高达25赫兹，流速仪精度0.1mm/s，从而得到准确的率定效果，消除横向环流。控制柜配液晶显示、触屏操作，可实现多档调控以及自动采样，优化了环形水槽的操作，是从事泥沙水力学特性研究的有效设备。
文档编号G01N15/06GK103207060SQ20131012020
公开日2013年7月17日 申请日期2013年4月9日 优先权日2013年4月9日
发明者尹海龙, 邱敏燕, 李新建, 程云 申请人:同济大学