一种用于冲刷实验的脉冲式淹没冲击射流实验装置及其测量方法与流程

本发明涉及一种用于冲刷实验的脉冲式淹没冲击射流实验装置及其测量方法，主要用于测量脉冲式淹没冲击射流的冲刷性能。

背景技术：

冲击射流的冲刷问题涉及到了广泛的工程应用背景。在水利水电泄水工程中，高水头拱坝的孔口水流跌入水垫塘、泄洪洞或溢洪道等泄水建筑物的出口挑出的空中水舌冲击下游河道就是典型的冲击射流现象，拥有巨大能量的高速水流直接坠入下游河床，如果不对河床加以保护，势必造成比较严重的冲刷破坏。此外，在航道疏浚工程中的边抛排泥、射流冲沙，工业油罐灌底的油泥清淤均是典型的冲击射流冲刷问题。

由于冲击射流的冲刷问题，因而备受人们关注。目前，传统的冲击射流冲刷实验台具有以下特点：按照冲击角度（射流轴线与冲击壁面的夹角）的不同，冲击射流可以分为竖直冲击射流与斜向冲击射流，由于竖直冲击射流的实验装置及流动相对简单，大部分冲击射流冲刷实验台针对于竖直冲击射流；少部分斜向冲击射流冲刷实验台，其冲击角度固定不变，无法进行不同冲击角度的冲击射流冲刷实验；过去冲击射流冲刷实验仅测量冲刷坑的深度，没有冲刷坑的形状与面积等重要参数。秦燕的硕士论文“基于冲击压强的挑流冲坑预测方法研究”（2007）、宋哲的硕士论文“自激吸气式脉冲液气射流冲蚀效果研究（2014）所进行的淹没式冲击射流冲刷实验具备上述2，3特点。

经检索，目前还没有关于脉冲式淹没冲击射流冲刷实验的专利。

技术实现要素：

为了研究脉冲式淹没冲击射流的冲刷性能，本发明提供了一种用于冲刷实验的脉冲式淹没冲击射流实验装置及其测量方法，该发明可以全面地研究雷诺数、冲击角度、冲击距离及脉冲周期对脉冲式淹没冲击射流冲刷性能的影响规律。

本发明的目的是这样实现的，一种用于冲刷实验的脉冲式淹没冲击射流实验装置，其特征是：包括角度盘、圆形铜管、沙床、蓄水池、磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、水槽、联接软管、挡板、第一相机、激光红外线测距仪、第二相机；

所述角度盘固定于支撑架上；所述圆形铜管与角度盘可拆卸式固定，且圆形铜管在角度盘上角度可调节；

所述水槽底部间隔放有两块挡板，沙床放于两块挡板中间；

蓄水池依次经磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、联接软管与圆形铜管贯通连接，圆形铜管一端与联接软管贯通，另一端置于水槽内的沙床上方；蓄水池内的水依次穿过磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、联接软管、圆形铜管，并从圆形铜管射出，冲击到沙床上；

射流从圆形铜管中射出，冲击到沙床上，形成一个近似于椭圆形的沙坑，而沙坑中的沙子被冲刷至下游形成沙丘；

所述第一相机、激光红外线测距仪安装于水槽上方，第一相机用于拍摄沙坑及沙丘的平面轮廓，激光红外线测距仪用于沙坑及沙丘在竖直方向的距离测量，即用于测量沙坑的深度以及沙丘的高度；所述第二相机放置于水槽侧面，用于拍摄射流从圆形铜管中射出冲击到沙床上的整个冲刷过程中沙丘的形成及运动过程。

所述沙床为天然沙形成的。

所述水槽为钢化玻璃水槽，水槽为方形。

所述水槽设置于蓄水池的上方，水槽的侧壁上部设有溢水口，溢水口上设有下闸门，溢水口位于蓄水池的上方。

所述角度盘的形状为1/4圆形，所述角度盘上设有中心孔、7个边孔，中心孔设置于角度盘的直角处，7个边孔设置于角度盘的弧形边处，中心孔与7个边孔的连线形成7条相互之间间隔15度的线段；

所述中心孔以及每个边孔两侧均添加2个小孔，中心孔两侧的2个小孔以及边孔两侧的2个小孔可安装固定件，圆形铜管通过固定件紧贴着固定在角度盘上，通过圆形铜管固定于不同的边孔上，实现调整圆形铜管的角度，从而调整冲击射流的冲击角度。

所述圆形铜管为可拉伸式圆形铜管。

所述脉冲发生器用于形成不同频率的脉冲射流。

所述角度盘在支撑架上可上下移动。

一种用于冲刷实验的脉冲式淹没冲击射流实验装置进行测量的方法，其特征是：

首先将圆形铜管在角度盘上调整好角度，并固定在角度盘上；圆形铜管置于沙床上方；启动磁力泵，蓄水池内的水依次穿过磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、联接软管、圆形铜管，并从圆形铜管射出，冲击到沙床上，形成一个近似于椭圆形的沙坑，而沙坑中的沙子被冲刷至下游形成沙丘；用第一相机拍摄沙坑及沙丘的平面轮廓，用激光红外线测距仪测量沙坑及沙丘在竖直方向的距离；第二相机放置于水槽侧面，拍摄射流从圆形铜管中射出冲击到沙床上的整个冲刷过程中沙丘的形成及运动过程。

本发明结构合理、生产制造容易、使用方便，通过本发明，该实验装置包括角度盘、圆形铜管、沙床、蓄水池、磁力泵、流量计、闸阀、脉冲发生器、水槽、联接软管、挡板、相机（包括第一相机、第二相机）及激光红外线测距仪，射流从圆形铜管射出，冲击在沙床上，形成不同形状的沙坑与沙丘。本发明重要内容之一，角度盘为一个1/4圆形有机玻璃板上凿出1个中心孔及7个边孔，中心孔与边孔的连线形成7条相隔15度的线段，每个中心孔及边孔两侧各添加2个小孔，以便在中心孔及边孔边位置处加上固定件，迫使铜管紧贴着玻璃板并通过任意线段，从而调整冲击射流的冲击角度；此外，可以通过拉伸铜管或者上下调整角度盘的高度来调整铜管出口与沙床的冲击距离。本发明重要内容之二，本实验采用的是脉冲发生器，通过它来控制开启时间及关闭时间，从而形成不同频率的脉冲射流，为了消除泵自身压力脉动带来的脉冲干扰，本实验采用基本不会产生压力脉动的磁力泵作为动力源。本发明重要内容之三，在水槽上方分别安装第一相机及激光红外线测距仪，第一相机用于拍摄沙坑及沙丘的平面轮廓，激光红外线测距仪用于沙坑及沙丘在y轴方向的距离测量；在水槽侧面放置第二相机，用于拍摄整个冲刷过程中沙丘的形成及运动过程。

本发明的有益结果是：可以通过piv实验全面地研究雷诺数、冲击角度、冲击距离及脉冲周期对脉冲式淹没冲击射流冲刷性能的影响规律。

附图说明

图1是本发明的主视方向结构示意图。

图2是本发明的俯视方向结构示意图。

图中：1角度盘、2圆形铜管、3沙床、4下闸门、5蓄水池、6磁力泵、7流量计、8闸阀、9脉冲发生器、10水槽、11联接软管、12挡板、13第一相机、14激光红外线测距仪、15第二相机。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行详细描述。

一种用于冲刷实验的脉冲式淹没冲击射流实验装置，包括角度盘1、圆形铜管2、沙床3、蓄水池5、磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、水槽10、联接软管11、挡板12、第一相机13、激光红外线测距仪14、第二相机15。

角度盘1固定于支撑架上；圆形铜管2与角度盘1可拆卸式固定，且圆形铜管2在角度盘1上角度可调节。

在水槽10底部间隔放有两块挡板12，沙床3放于两块挡板12中间；蓄水池5依次经磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、联接软管11与圆形铜管2贯通连接，圆形铜管2一端与联接软管11贯通，另一端置于水槽10内的沙床3上方；蓄水池5内的水依次穿过磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、联接软管11、圆形铜管2，并从圆形铜管2射出，冲击到沙床3上。射流从圆形铜管2中射出，冲击到沙床3上，形成一个近似于椭圆形的沙坑，而沙坑中的沙子被冲刷至下游形成沙丘。

第一相机13、激光红外线测距仪14安装于水槽10上方，第一相机13用于拍摄沙坑及沙丘的平面轮廓，激光红外线测距仪14用于沙坑及沙丘在竖直方向的距离测量，即用于测量沙坑的深度以及沙丘的高度；第二相机15放置于水槽10侧面，用于拍摄射流从圆形铜管2中射出冲击到沙床3上的整个冲刷过程中沙丘的形成及运动过程。

本实施例中，沙床3为天然沙形成的。水槽10为钢化玻璃水槽，水槽10的形状为方形。

水槽10设置于蓄水池5的上方，在水槽10的侧壁上部设置溢水口，溢水口上设置下闸门4，溢水口位于蓄水池5的上方。

角度盘1的形状为1/4圆形，在角度盘1上设置中心孔、7个边孔，中心孔设置于角度盘1的直角处，7个边孔设置于角度盘1的弧形边处，中心孔与7个边孔的连线形成7条相互之间间隔15度的线段。中心孔以及每个边孔两侧均添加2个小孔，中心孔两侧的2个小孔以及边孔两侧的2个小孔可安装固定件，圆形铜管2通过固定件紧贴着固定在角度盘1上，通过圆形铜管2固定于不同的边孔上，实现调整圆形铜管2的角度，从而调整冲击射流的冲击角度。

进一步的，圆形铜管2为可拉伸式圆形铜管。脉冲发生器9用于形成不同频率的脉冲射流。角度盘1在支撑架上可上下移动。

一种用于冲刷实验的脉冲式淹没冲击射流实验装置进行测量的方法为：首先将圆形铜管2在角度盘1上调整好角度，并固定在角度盘1上；圆形铜管2置于沙床3上方；启动磁力泵6，蓄水池5内的水依次穿过磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、联接软管11、圆形铜管2，并从圆形铜管2射出，冲击到沙床3上，形成一个近似于椭圆形的沙坑，而沙坑中的沙子被冲刷至下游形成沙丘；用第一相机13拍摄沙坑及沙丘的平面轮廓，用激光红外线测距仪14测量沙坑及沙丘在竖直方向的距离；第二相机15放置于水槽10侧面，拍摄射流从圆形铜管2中射出冲击到沙床3上的整个冲刷过程中沙丘的形成及运动过程。

在图1中，圆形铜管2固定在角度盘1上，在水槽10底部间隔放下两块挡板12，中间放入天然沙形成沙床3，水槽10中的水通过下闸门4流到蓄水池5里（打开下闸门4，水槽10中的水通过溢水口流到蓄水池5里），蓄水池5中的水经过磁力泵6、流量计7、闸阀8、脉冲发生器9、联接软管11流到圆形铜管2中，射流从圆形铜管2中射出，冲击到沙床3上，形成一个近似于椭圆形的沙坑，而沙坑中的沙子被冲刷至下游形成沙丘，沙坑深度与沙丘高度分别定义为d与h，圆形铜管2的中轴线与沙床3壁面的交点作为参考点o，在射流的中截面及沙床壁面建立oxy坐标系。在水槽的上方分别安装第一相机13及激光红外线测距仪14，第一相机13用于拍摄沙坑及沙丘的平面轮廓，激光红外线测距仪14用于沙坑及沙丘在y轴方向的距离测量。闸阀8调整冲击射流的雷诺数re，角度盘1与圆形铜管2调整冲击射流的冲击角度θ与冲击高度h，脉冲发生器9调整冲击射流的脉冲周期t。

在图2中，在沙床3壁面建立oxz坐标系，沙坑及沙丘的平面轮廓为3个近似椭圆，其长度与宽度分别定义为a1、a2、a3、b1、b2、b3，第一相机13用于拍摄沙坑及沙丘的平面轮廓，在水槽的侧面放置第二相机15，用于拍摄整个冲刷过程中沙丘的形成及运动过程。