一種消除環(huán)形水槽橫向環(huán)流的調(diào)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境工程、水利工程領(lǐng)域，具體涉及一種消除環(huán)形水槽橫向環(huán)流的調(diào) 試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾十年來，沉積物輸移一直是環(huán)境學(xué)科和水利學(xué)科共同關(guān)注的課題。水槽是研 宄沉積物輸移的重要設(shè)備，可用于研宄懸浮沉積物的沖刷、沉降等基本規(guī)律。對于懸浮物沉 降特征的研宄，由于其輸移沉降時間尺度長，直形水槽難以滿足試驗要求；相比之下，環(huán)形 水槽具有以時間換空間的優(yōu)勢，能夠滿足懸浮沉降物輸移沉降時間尺度的要求，因此環(huán)形 水槽成為研宄沉積物輸移沉降的重要設(shè)備，近年來其應(yīng)用越來越得到重視。
[0003] 環(huán)形水槽中水流為彎曲水流，同天然河道中彎道水流一樣有橫向環(huán)流存在，橫向 環(huán)流使環(huán)形水槽與實際的順直渠道中水力條件明顯不同。彎曲水流中橫向環(huán)流是由于流速 橫向分布不均勻和垂直彎曲平面的離心力不平衡產(chǎn)生的流動，彎曲水流的離心力是無法消 除的，只能采取措施，使產(chǎn)生新的力和離心力平衡，從而消弱由離心力產(chǎn)生的橫向環(huán)流。河 海大學(xué)張長寬、上海大學(xué)王道增、上海河口海岸科學(xué)研宄中心萬遠揚及本發(fā)明作者都提出 了與環(huán)形水槽相關(guān)的發(fā)明創(chuàng)造，然而上述發(fā)明創(chuàng)造中并未提到如何消除環(huán)形水槽中的橫向 環(huán)流。在利用環(huán)形水槽進行懸浮物沉降、沖刷相關(guān)實驗研宄時，有必要消除橫向環(huán)流的影 響，獲得相對理想的水利條件。在消除橫向環(huán)流時，能否同時準確測定環(huán)形水槽中的水流流 速，是評價調(diào)試方法是否可行的關(guān)鍵因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種消除環(huán)形水槽橫向環(huán)流的調(diào)試方法。
[0005] 本發(fā)明提出的消除環(huán)形水槽橫向環(huán)流的調(diào)試方法，所述調(diào)試方法通過調(diào)試系統(tǒng)實 現(xiàn)，所述調(diào)試系統(tǒng)由剪切環(huán)支撐架1、環(huán)形水槽槽身2、剪切環(huán)3、控制柜4、流量計探頭5、ADV 探頭6和傳動系統(tǒng)7組成，環(huán)形水槽槽身2由環(huán)形水槽內(nèi)壁8和環(huán)形水槽外壁9組成，剪 切環(huán)3為有機玻璃圓環(huán)環(huán)形水槽槽身2上方設(shè)置剪切環(huán)3,環(huán)形水槽槽身2和剪切環(huán)3可 相對反向旋轉(zhuǎn)，所述環(huán)形水槽槽身2和剪切環(huán)3分別通過控制柜4和傳動系統(tǒng)7控制其轉(zhuǎn) 數(shù)；環(huán)形水槽槽身2內(nèi)底部設(shè)有圓球形彩色硅膠示蹤顆粒；為測定環(huán)形水槽內(nèi)水流流速，在 環(huán)形水槽槽身2底部中央開一個圓孔12,安裝流量計探頭5,并在剪切環(huán)3中央開設(shè)一個圓 孔13,安裝聲學(xué)多普勒測速系統(tǒng)，所述聲學(xué)多普勒測速系統(tǒng)由ADV探頭6和無線發(fā)射裝置構(gòu) 成，可在線記錄水槽中水流流速，精確至0. 〇lcm/s。流量計探頭5采用明渠流量計，可直接 在顯示屏上實時讀數(shù)，并可存儲實時記錄水流流速，精確至0. lcm/s。流量計探頭5與ADV 探頭6均可拆卸，并可調(diào)節(jié)ADV探頭6在水槽內(nèi)的深度；具體步驟如下： (1) 在環(huán)形水槽中加水至h (mm)處，并投加定制直徑為4. 8-5. 2mm的圓球形彩色硅膠 示蹤顆粒20~30個，圓球形彩色硅膠示蹤顆粒沉至環(huán)形水槽槽身底部； (2) 調(diào)節(jié)ADV探頭6至水深0· 6h的上方50mm處，則ADV探頭所測流速為探頭下方50mm 水深處控制體的三維點速，也即水深0. 6h處的三維點速，該點流速可以代表水流垂向斷面 平均速度；流量計探頭5則沿水深分層讀取水流速度，經(jīng)過自動換算得出水流垂向斷面平 均速度； (3)通過控制柜4和傳動系統(tǒng)7調(diào)節(jié)剪切環(huán)3旋轉(zhuǎn)，環(huán)形水槽槽身2靜止。當(dāng)僅剪切 環(huán)3旋轉(zhuǎn)時，固定在環(huán)形水槽槽身2底部的流量計探頭5靜止，ADV探頭6相對水流運動， 水槽內(nèi)實際水流方向與剪切環(huán)3旋轉(zhuǎn)方向相同。此時流量計測量流速代表水槽內(nèi)實際水流 速度，流量計測量流速精確至〇. lcm/s。水槽內(nèi)實際水流速度、ADV探頭6隨剪切環(huán)3旋轉(zhuǎn) 線速度、ADV探頭6所測流速與流量計所測流速之間的計算關(guān)系式如下：
【主權(quán)項】
1. 一種消除環(huán)形水槽橫向環(huán)流的調(diào)試方法，所述調(diào)試方法通過調(diào)試系統(tǒng)實現(xiàn)，所述調(diào) 試系統(tǒng)由剪切環(huán)支撐架（1)、環(huán)形水槽槽身（2)、剪切環(huán)（3)、控制柜（4)、流量計探頭（5)、 ADV探頭（6)和傳動系統(tǒng)（7)組成，環(huán)形水槽槽身（2)由環(huán)形水槽內(nèi)壁（8)和環(huán)形水槽外壁 (9)組成，剪切環(huán)為有機玻璃圓環(huán)，其特征在于環(huán)形水槽槽身（2)上方設(shè)置剪切環(huán)（3)，環(huán)形 水槽槽身（2)和剪切環(huán)（3)可相對反向旋轉(zhuǎn)，所述環(huán)形水槽槽身（2)和剪切環(huán)（3)分別通 過控制柜（4)和傳動系統(tǒng)（7)控制其轉(zhuǎn)數(shù)；環(huán)形水槽槽身（2)內(nèi)底部設(shè)有圓球形彩色硅膠 示蹤顆粒；為測定環(huán)形水槽內(nèi)水流流速，在環(huán)形水槽槽身⑵底部中央開一個圓孔（12)，安 裝流量計探頭（5)，并在剪切環(huán)（3)中央開設(shè)一個圓孔（13)，安裝聲學(xué)多普勒測速系統(tǒng)，所 述聲學(xué)多普勒測速系統(tǒng)由ADV探頭（6)和無線發(fā)射裝置構(gòu)成，可在線記錄水槽中水流流速， 精確至O.Olcm/s ;流量計探頭（5)采用明渠流量計，可直接在顯示屏上實時讀數(shù)，并可存儲 實時記錄水流流速，精確至0. lcm/s ;流量計探頭（5)與ADV探頭（6)均可拆卸，并可調(diào)節(jié) ADV探頭（6)在水槽內(nèi)的深度；具體步驟如下： (1) 在環(huán)形水槽中加水至h (mm)處，并投加定制直徑為4. 8-5. 2mm的圓球形彩色硅膠 示蹤顆粒20~30個，圓球形彩色硅膠示蹤顆粒沉至環(huán)形水槽槽身底部； (2) 調(diào)節(jié)ADV探頭（6)至水深0. 6h的上方50mm處，則ADV探頭所測流速為探頭下方 50mm水深處控制體的三維點速，也即水深0. 6h處的三維點速，該點流速可以代表水流垂向 斷面平均速度；流量計探頭（5)則沿水深分層讀取水流速度，經(jīng)過自動換算得出水流垂向 斷面平均速度； (3) 通過控制柜⑷和傳動系統(tǒng)（7)調(diào)節(jié)剪切環(huán)⑶旋轉(zhuǎn)，環(huán)形水槽槽身⑵靜止；當(dāng) 僅剪切環(huán)⑶旋轉(zhuǎn)時，固定在環(huán)形水槽槽身⑵底部的流量計探頭（5)靜止，ADV探頭（6) 相對水流運動，水槽內(nèi)實際水流方向與剪切環(huán)（3)旋轉(zhuǎn)方向相同；此時流量計測量流速代 表水槽內(nèi)實際水流速度，流量計測量流速精確至〇. lcm/s ;水槽內(nèi)實際水流速度、ADV探頭 (6)隨剪切環(huán)（3)旋轉(zhuǎn)線速度、ADV探頭（6)所測流速與流量計所測流速之間的計算關(guān)系式 如下：
其中Aim?.為ADV探頭（6)隨剪切:環(huán)（3)旋轉(zhuǎn)的線速度，為ADV測量:的水流速度， " 為環(huán)形水槽內(nèi)實際水流速度，為流量計測量的水流速度； (4) 通過控制柜（4)和傳動系統(tǒng)（7)調(diào)節(jié)剪切環(huán)（3)靜止，環(huán)形水槽槽身⑵旋轉(zhuǎn)；當(dāng) 僅環(huán)形水槽槽身（2)旋轉(zhuǎn)時，ADV探頭（6)靜止，流量計探頭（5)相對水流運動，水槽內(nèi)實 際水流方向與環(huán)形水槽槽身（2)旋轉(zhuǎn)方向相同；此時ADV探頭所測流速為水槽內(nèi)實際水流 速度，ADV探頭測量流速精確至O.Olcm/s;水槽內(nèi)實際水流速度、流量計探頭（5)隨環(huán)形水 槽槽身（2)旋轉(zhuǎn)的線速度、ADV探頭所測流速與流量計所測流速之間的計算關(guān)系式如下：
其中：Fmw為ADV探頭測量的水流速度，1??為環(huán)形水槽內(nèi)實際水流速度，4^_為流 量計探頭（5)隨環(huán)形水槽槽身（2)旋轉(zhuǎn)的線速度，為流量計測量的水流速度； (5) 通過控制柜（4)和傳動系統(tǒng)（7)起動環(huán)形水槽槽身（2)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)數(shù)為a轉(zhuǎn)/分鐘， 可觀測到圓球形彩色硅膠顆粒向水槽外壁（9)偏移，表明水槽底部橫向環(huán)流明顯；通過控 制柜（4)和傳動系統(tǒng)（7)啟動剪切環(huán)（3)，旋轉(zhuǎn)方向與環(huán)形水槽槽身（2)旋轉(zhuǎn)方向相反，調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)數(shù)為b轉(zhuǎn)/分鐘時，硅膠顆粒逐漸向水槽中間移動，當(dāng)圓球形彩色硅膠顆粒保持沿著水 槽中線運動時，此時認為已消除橫向環(huán)流； (6) 通過控制柜（4)和傳動系統(tǒng)（7)調(diào)節(jié)剪切環(huán)（3)和環(huán)形水槽槽身（2)同時旋轉(zhuǎn)，分 別保持轉(zhuǎn)數(shù)為a轉(zhuǎn)/分鐘和b轉(zhuǎn)/分鐘，ADV探頭（6)與流量計探頭（5)都相對水流運動， 通過控制柜（4)和傳動系統(tǒng)（7)立即關(guān)停環(huán)形水槽槽身（2)和剪切環(huán)（3)的方法；換算得 出水槽中的水流實際速度，此時控制剪切環(huán)（3)靜止，水流在慣性作用下繼續(xù)流動，通過安 裝在剪切環(huán)（3)上的ADV探頭在線記錄，得到ADV探頭（6)靜止后水流的速度變化，變化趨 勢為逐漸減小，可將ADV探頭（6)最初靜止時水流速度最大值作為剪切環(huán)（3)和環(huán)形水槽 槽身（2)同時旋轉(zhuǎn)時水槽內(nèi)的水流速度；此速度即為剪切環(huán)（3)和環(huán)形水槽槽身（2)分別 保持轉(zhuǎn)數(shù)為a轉(zhuǎn)/分鐘和b轉(zhuǎn)/分鐘時，環(huán)形水槽內(nèi)水流的斷面平均流速，ADV測量流速可 精確至0. 〇lcm/s。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種消除環(huán)形水槽橫向環(huán)流的調(diào)試方法，所述調(diào)試方法通過調(diào)試系統(tǒng)實現(xiàn)，所述調(diào)試系統(tǒng)由剪切環(huán)支撐架、環(huán)形水槽槽身、剪切環(huán)、控制柜、流量計探頭、ADV探頭和傳動系統(tǒng)組成，本發(fā)明利用聲學(xué)多普勒測速儀、明渠流量計及球形彩色硅膠顆粒示蹤物消除環(huán)形中水槽橫向環(huán)流的方法。本發(fā)明利用球型彩色硅膠顆粒示蹤物指示環(huán)形水槽中水流水力狀態(tài)，確定消除橫向環(huán)流時下盤環(huán)形水槽運轉(zhuǎn)周期與上盤剪切環(huán)相對應(yīng)運轉(zhuǎn)周期的關(guān)系，獲取了環(huán)形水槽消除橫向環(huán)流的操作參數(shù)；同時利用ADV及流量計實現(xiàn)實時測量環(huán)形水槽雙向運動條件下的水流速度，通過調(diào)整剪切環(huán)及環(huán)形水槽槽身轉(zhuǎn)速，獲取研究所需水流流速。
【IPC分類】G01M10-00
【公開號】CN104677590
【申請?zhí)枴緾N201510093276
【發(fā)明人】尹海龍, 解銘, 邱敏燕, 張倫元
【申請人】同濟大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年3月3日