水工模型中激溅雾化雨强空间分布的测量装置及方法与流程

1.本发明属于水利工程技术领域，具体涉及水工模型中激溅雾化雨强空间分布的测量装置及方法。


背景技术：

2.大坝泄洪时，高速下泄的水舌与下游水垫碰撞，往往会产生激溅现象，从而引发泄洪雾化问题。我国大型水电工程多修建于西南地区的大江大河干流，它们的共同特点是水头高、流量大、河谷窄、泄洪功率大，从而导致泄洪雾化问题十分突出。泄洪雾化会在大坝附近产生局部高强度降雨，其降雨强度往往可高达上千mm/h，远大于自然降雨中特大暴雨值(11.67mm/h)。因此，该现象严重影响水电站的运行效率、下游岸坡的稳定性以及生态环境，甚至威胁大坝本身的安全。
3.针对泄洪雾化问题，目前的研究采用原型观测、模型实验及理论分析手段开展研究。原型观测受到特定地形、水流、气象条件的限制，所得结果不具有普遍适用性；泄洪雾化是一种复杂的水-气两相流，难以从理论分析角度进行说明。因此，模型实验成为研究泄洪雾化问题的主要方法。
4.中国专利cn201911413070.9公开了一种水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置及方法，该装置包括底座以及底座上设置的支撑单元和设置在支撑单元上的雨量收集单元；雨量收集单元由水平设置的支撑面板以及竖直设置在支撑面板上的若干雨量收集器构成，所有雨量收集器呈矩阵式间隔分布，雨量收集器由收集管和测量容器组成，收集管设于支撑面板上并与支撑面板一体成型制成，并且收集管上下两端突出对应支撑面板所在平面一定长度，收集管下端的外表面设有螺纹，测量容器上端的内表面设有与收集管螺纹配合的螺纹，收集管和测量容器通过螺纹实现紧固连接；测量容器的外壁上设有数值刻度。该装置操作方便、精确度高，可对整个泄洪雾化雨量强度空间分布的雨强进行测量。但是该装置是用于测量由于高速水舌在空气中掺气扩散或者水舌空中碰撞而形成的泄洪雾化雨量强度，如果将其放置在水池中用于测量水舌与下游水垫碰撞产生激溅现象而形成的泄洪雾化雨量强度，会对水池内的水体流动造成较大影响，从而影响雨强(雨量强度)测量的准确性。
5.因此，设计一种测量准确性高，能用于测量水工模型中激溅雾化雨强空间分布的测量装置是本领域技术人员期望解决的技术问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供水工模型中激溅雾化雨强空间分布的测量装置及方法，该测量装置能用于测量水工模型中射流入水激溅雾化雨强的空间分布，且准确性高。
7.本发明的技术方案是这样实现的：
8.水工模型中激溅雾化雨强空间分布的测量装置，其特征在于，包括矩形水槽和雨
量强度收集单元。
9.所述雨量强度收集单元由水平设置的支撑面板以及竖直设置在支撑面板上的若干雨量收集器构成，所有雨量收集器呈矩阵式间隔分布。
10.所述雨量强度收集单元通过支撑移动单元悬挂设置在水槽内且可在水槽内进行空间移动，从而实现激溅雾化雨强空间分布的测量；所述水槽远离水舌和水垫碰撞区对应侧壁设有出水口。
11.进一步地，所述支撑移动单元包括支撑机构和移动机构。
12.所述移动机构包括横跨设置在水槽上的第一矩形框架，水槽两长边顶部设有分别沿水槽纵向设置的凸起，以构成纵向导轨，对应地，第一矩形框架对应的两边分别设有与两纵向导轨配合的第一凹槽，第一矩形框架的两第一凹槽分别放置在两纵向导轨上，从而使得第一矩形框架可沿水槽纵向移动。
13.第一矩形框架沿水槽横向设置的两边顶部设有沿水槽横向设置的凸起，以构成横向导轨，在第一矩形框架上方横跨设有第二矩形框架，所述第二矩形框架对应的两边分别设有与两横向导轨配合的第二凹槽，第二矩形框架的两第二凹槽放置在两横向导轨上，从而使得第二矩形框架可沿水槽横向移动。
14.所述支撑机构包括设置在支撑面板四角处的螺杆，所述螺杆下端与支撑面板固定，螺杆上端与固定设置在第二矩形框架上的螺盘螺合固定，从而使得雨量强度收集单元悬挂设置在水槽内，且可通过调节螺杆伸出螺盘的长度调节雨量强度收集单元的高度。
15.进一步地，还包括加固机构，所述加固机构包括竖直设置的四根支撑杆，四根支撑杆分别位于支撑面板四角处，支撑杆底端与水槽底部抵接，每根支撑杆下端和上端均套设有固定套筒，每根支撑杆下端的固定套筒与支撑面板固定，每根支撑杆上端的固定套筒与第二矩形框架固定，每根支撑杆通过螺钉与两个固定套筒可拆卸连接，便于加强对支撑面板的固定效果，同时便于支撑面板可在支撑杆上升降。
16.进一步地，所述雨量收集器包括收集管、容纳瓶和水平设置的矩形方板，所述收集管和容纳瓶相对设于方板上方和下方，在方板上设有贯穿孔，以将收集管和容纳瓶连通。
17.所述支撑面板上具有与雨量收集器容纳瓶一一对应的通孔，所述通孔的直径小于方板的尺寸，雨量收集器容纳瓶放置在支撑面板的通孔内，从而将雨量收集器悬挂放置在支撑面板上。
18.进一步地，容纳瓶底部设有排水阀，便于排出容纳瓶内收集的雨水。
19.进一步地，在支撑面板上设有压紧机构，所述压紧机构包括两根水平间隔设置的横杆，两根横杆沿水槽纵向设置，在两根横杆之间间隔设有若干压杆，每根压杆位于相邻两行雨量收集器之间，用于压设该两行雨量收集器的方板；两根横杆外侧边缘分别与支撑面板两边缘平齐，并在对应的支撑面板两侧外设有c型夹，以将横杆和支撑面板固定，从而将雨量收集器压紧固定在支撑面板上。
20.进一步地，所述雨量收集器沿水槽纵向分成若干列，所有列之间非等间距排列。
21.进一步地，还包括挡雨机构，用于阻挡收集之前的雨水进入雨量收集器内，造成实验误差。
22.所述挡雨机构包括挡雨支撑杆和挡雨帘，所述挡雨支撑杆沿水槽横向横跨在水槽上且位于第一矩形框架上游侧，所述挡雨帘上端与挡雨支撑杆固定。
23.本发明还提供了水工模型中激溅雾化雨强空间分布的测量方法，利用前面所述的水工模型中激溅雾雨强度空间分布的测量装置进行测量，其具体方法如下：
24.(1)观测水舌落水点及激溅水点运动范围，确定待测量区域，移动雨量强度收集单元并固定于待测量区域，同时保证雨量收集器间隔小的一侧的一列雨量收集器中心点与水舌中心线平齐；移动挡雨机构至落水点下游、雨量强度收集单元上游；
25.(2)开启水泵，调节流量阀门至预设流量值，待流量稳定后，快速移走挡雨机构；在移走挡雨机构的同时，开始计时，测量t分钟后，完成一次测量；
26.(3)分别打开各雨量收集器底部的排水阀，并将收集到的雨水排入带有刻度的量筒中，记录t分钟内各雨量收集器收集到的雨量，关闭各空置的雨量收集器排水阀，待下一次测量使用；
27.(4)重复步骤(1)、(2)、(3)，将多次测得的有效雨量进行平均，通过下式对每个雨量收集器对应空间点(x，y，z)的雨量强度进行计算：
[0028][0029]
式中：i
(x，y，z)-空间点(x，y，z)处的雨量强度，mm/h；
[0030]q(x，y，z)-空间点(x，y，z)处雨量收集器收集到的有效平均雨量读数，ml；
[0031]se-收集管有效接水面积，se＝πd2/4，其中d为收集管的内径，mm2；
[0032]
t-为雨量收集时间，min；
[0033]
(5)保持每个雨量收集器水平面坐标(x，y)不变，调节支撑面板在竖直方向的位置，以改变各雨量收集器的高度z，重复步骤(1)～(4)，得到对应测点的雨量强度；
[0034]
(6)移动雨量强度收集单元，重复步骤(1)～(5)，完成整个待测量区域雨量强度的测量。
[0035]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0036]
1、本发明的雨量强度收集单元通过悬挂的方式设置在水槽内，当测量高度较大时，雨量强度收集单元不会与水槽中的水(即与水舌发生碰撞的水垫)接触，从而不会影响水槽内水的流速，同时水槽内的水不会对雨量强度收集单元造成冲击；当测量高度较小时，雨量强度收集单元下部分位于水面以下，从而可实现对水面附近的雾雨强度进行测量，同时雨量强度收集单元对水槽内水的流速和流态影响较小，可有效保证雨量强度测量的准确性。
[0037]
此外，采用四根横截面积较小的支撑杆进行支撑，可以有效保证雨量收集单元的稳定性，同时也可避免支撑杆对碰撞区附近的水体流速、流态造成影响，进一步保证雨量强度测量的准确性。
[0038]
2、第一矩形框架通过纵向导轨可沿水槽纵向移动，第二矩形框架设置在第一矩形框架上且可沿第一矩形框架上的横向轨道沿水槽横向移动。而雨量强度收集单元通过螺杆固定在第二矩形框架上，且可调节雨量强度收集单元的高度。这样，在高度上，横向和纵向上都可以调节雨量强度收集单元的坐标，从而可有效测量激溅雾化雨量强度的空间分布。
附图说明
[0039]
图1-本发明俯视分布示意简图。
[0040]
图2-图1a-a的剖面图。
[0041]
图3-图1的侧视图。
[0042]
图4-雨量强度收集单元结构示意图。
[0043]
其中：a-水舌与水垫碰撞区域；b-测量区域；1-支撑杆；2-固定套筒；3-螺钉；4-支撑面板；5-雨量收集器；5a-收集管；5b-方板；5c-容纳瓶；5d-排水阀；6-螺杆；7-螺盘；8-纵向导轨；9-第一矩形框架；10-第二矩形框架；11-水槽；12a-挡雨支撑杆；12b-挡雨帘；13a-横杆；13b-压杆；14-c型夹。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0045]
参见图1、图2、图3和图4，水工模型中激溅雾化雨强空间分布的测量装置，包括矩形水槽11和雨量强度收集单元。
[0046]
所述雨量强度收集单元由水平设置的支撑面板4以及竖直设置在支撑面板4上的若干雨量收集器5构成，所有雨量收集器5呈矩阵式间隔分布。
[0047]
所述雨量强度收集单元通过支撑移动单元悬挂设置在水槽11内且可在水槽11内进行空间移动，从而实现激溅雾化雨强空间分布的测量；所述水槽11远离水舌和水垫碰撞区对应侧壁设有出水口。
[0048]
这里，雨量强度收集单元通过悬挂的方式设置在水槽内，当测量高度较大时，雨量强度收集单元不会与水槽中的水(即与水舌发生碰撞的水垫)接触，从而不会影响水槽内水的流速，同时水槽内的水不会对雨量强度收集单元造成冲击；当测量高度较小时，雨量强度收集单元下部分位于水面以下，从而可实现对水面附近的雾雨强度进行测量，同时雨量强度收集单元对水槽内水的流速和流态影响较小，可有效保证雨量强度测量的准确性。这里在水槽侧壁开设出水口可以有效保证水槽内的水垫与实际工况一致，保证雨量强度测量更加贴合实际。
[0049]
具体实施时，所述支撑移动单元包括支撑机构和移动机构。
[0050]
所述移动机构包括横跨设置在水槽11上的第一矩形框架9，水槽11两长边顶部设有分别沿水槽11纵向设置的凸起，以构成纵向导轨8，对应地，第一矩形框架9对应的两边分别设有与两纵向导轨8配合的第一凹槽，第一矩形框架9的两第一凹槽分别放置在两纵向导轨8上，从而使得第一矩形框架9可沿水槽11纵向移动。
[0051]
第一矩形框架9沿水槽11横向设置的两边顶部设有沿水槽11横向设置的凸起，以构成横向导轨，在第一矩形框架9上方横跨设有第二矩形框架10，所述第二矩形框架10对应的两边分别设有与两横向导轨配合的第二凹槽，第二矩形框架10的两第二凹槽放置在两横向导轨上，从而使得第二矩形框架10可沿水槽11横向移动。
[0052]
所述支撑机构包括设置在支撑面板4四角处的螺杆6，所述螺杆6下端与支撑面板4固定，螺杆4上端与固定设置在第二矩形框架10上的螺盘7螺合固定，从而使得雨量强度收集单元悬挂设置在水槽11内，且可通过调节螺杆6伸出螺盘7的长度调节雨量强度收集单元的高度。
[0053]
这样，如图1所示，矩形水槽的一端为水舌与水垫的碰撞区a，因水槽在横向上，水舌近似为对称的，通常只需要对横向一半区域的雨量进行测量，图1中b部分为测量区域，用于放置雨量强度收集单元，水槽的出水口则设置水槽另一端的侧壁。
[0054]
这样，第一矩形框架通过纵向导轨可沿水槽纵向移动，第二矩形框架设置在第一矩形框架上且可沿第一矩形框架上的横向轨道沿水槽横向移动。而雨量强度收集单元通过螺杆固定在第二矩形框架上，且可调节雨量强度收集单元的高度。这样，在高度上，横向和纵向上都可以调节雨量强度收集单元的坐标，从而可有效测量激溅雾化雨量强度的空间分布。
[0055]
具体实施时，还包括加固机构，所述加固机构包括竖直设置的四根支撑杆1，四根支撑杆1分别位于支撑面板4四角处，支撑杆1底端与水槽11底部抵接，每根支撑杆1下端和上端均套设有固定套筒2，每根支撑杆1下端的固定套筒2与支撑面板4固定，每根支撑杆1上端的固定套筒2与第二矩形框架10固定，每根支撑杆1通过螺钉3与两个固定套筒2可拆卸连接，便于加强对支撑面板4的固定效果，同时便于支撑面板4可在支撑杆1上升降。
[0056]
这样，支撑杆底端与水槽抵接，同时支撑杆与第二矩形框架和支撑面板固定，可以保证支撑面板竖直方向的固定，避免在测量过程中雨量强度收集单元发生晃动。当支撑面板升降时，先拧松螺钉，调整四根螺杆使得支撑面板达到设定高度，然后调整支撑杆，使得支撑杆底端与水槽底部抵接，然后再拧紧螺钉进行固定即可。
[0057]
这里的支撑杆为横截面积较小的圆管，不会对碰撞区附近的水体流速、流态造成影响，能有效保证雨量强度测量的准确性。具体实施时，所述雨量收集器5包括收集管5a、容纳瓶5c和水平设置的矩形方板5b，所述收集管5a和容纳瓶5c相对设于方板5b上方和下方，在方板5b上设有贯穿孔，以将收集管5a和容纳瓶5c连通。
[0058]
所述支撑面板4上具有与雨量收集器5容纳瓶5c一一对应的通孔，所述通孔的直径小于方板的尺寸，雨量收集器5容纳瓶5c放置在支撑面板4的通孔内，从而将雨量收集器5悬挂放置在支撑面板4上。
[0059]
每个雨量收集器对应不同的测量点，这里的雨量收集器是独立设置的个体，便于根据不同测量点的雨量强度不同，选择不同的体积的容纳瓶的雨量收集器进行收集，从而有利于减小实验误差，提高实验准确性。
[0060]
具体实施时，容纳瓶5c底部设有排水阀5d，便于排出容纳瓶5c内收集的雨水。
[0061]
具体实施时，在支撑面板4上设有压紧机构，所述压紧机构包括两根水平间隔设置的横杆13a，两根横杆13a沿水槽11纵向设置，在两根横杆13a之间间隔设有若干压杆13b，每根压杆13b位于相邻两行雨量收集器之间，用于压设该两行雨量收集器5的方板5b；两根横杆13a外侧边缘分别与支撑面板4两边缘平齐，并在对应的支撑面板4两侧外设有c型夹14，以将横杆13a和支撑面板4固定，从而将雨量收集器5压紧固定在支撑面板4上。
[0062]
这样，可有效避免雨量收集器在支撑面板的通孔内晃动，保持支撑面板通孔中心点与收集管进口中心点位于同一竖直线上，实现固定测点雨量强度的测量。
[0063]
具体实施时，所述雨量收集器5沿水槽11纵向分成若干列，所有列之间非等间距排列。
[0064]
在水舌中心线附近，雨量强度较大，不同横向测点间的雨量强度变化速率也较大，需要布置较为密集的测点以捕捉雨量变化；而在远离水舌中心线的区域，雨量强度较小，不
同横向测点间的雨量强度变化速率也较小，测点可布置得稀疏一些。因此，在支撑面板上打孔时，水舌中心线附近的孔洞间距应稍小，而远离水舌中心线附近的区域通孔间距可稍大。
[0065]
具体实施时，还包括挡雨机构，用于阻挡收集之前的雨水进入雨量收集器内，造成实验误差；
[0066]
所述挡雨机构包括挡雨支撑杆12a和挡雨帘12b，所述挡雨支撑杆12a沿水槽11横向横跨在水槽11上且位于第一矩形框架9上游侧，所述挡雨帘12b上端与挡雨支撑杆12a固定。
[0067]
水工模型中激溅雾化雨强空间分布的测量方法，利用前面所述的水工模型中激溅雾雨强度空间分布的测量装置进行测量，具体包括以下步骤：
[0068]
(1)观测水舌落水点及激溅水点运动范围，确定待测量区域，移动雨量强度收集单元并固定于待测量区域，同时保证雨量收集器间隔小的一侧的一列雨量收集器中心点与水舌中心线平齐；移动挡雨机构至落水点下游、雨量强度收集单元上游；
[0069]
(2)开启水泵，调节流量阀门至预设流量值，待流量稳定后，快速移走挡雨机构；在移走挡雨机构的同时，开始计时，测量t分钟后，完成一次测量；
[0070]
(3)分别打开各雨量收集器底部的排水阀，并将收集到的雨水排入带有刻度的量筒中，记录t分钟内各雨量收集器收集到的雨量，关闭各空置的雨量收集器排水阀，待下一次测量使用；
[0071]
(4)重复步骤(1)、(2)、(3)，将多次测得的有效雨量进行平均，通过下式对每个雨量收集器对应空间点(x，y，z)的雨量强度进行计算：
[0072][0073]
式中：i
(x，y，z)-空间点(x，y，z)处的雨量强度，mm/h；
[0074]q(x，y，z)-空间点(x，y，z)处雨量收集器收集到的有效平均雨量读数，ml；
[0075]se-收集管有效接水面积，se＝πd2/4，其中d为收集管的内径，mm2；
[0076]
t-为雨量收集时间，min；
[0077]
这里为了减小因测量时长引起的误差，通常来说测量时长越长越好，但由于受到雨量收集器量程的限制，测量时间通常为20min～90min，时间用秒表计时。为了保证测量精度，相同工况进行两次测量，如果两次测量值相差超过15％则重复进行第三次测量，取得到的有效值进行平均，得到最后的测量值；
[0078]
(5)保持每个雨量收集器水平面坐标(x，y)不变，调节支撑面板在竖直方向的位置，以改变各雨量收集器的高度z，重复步骤(1)～(4)，得到对应测点的雨量强度；
[0079]
(6)移动雨量强度收集单元，重复步骤(1)～(5)，完成整个待测量区域雨量强度的测量。
[0080]
最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。