[发明专利]多相流试验水槽系统

说明书

技术领域

本发明涉及水力学多相流研究及水环境保护技术，特别涉及一种水利水电工程设计研究中的水库泥沙异重流问题的多相流试验水槽系统。

背景技术

多相流(Multiphase Flow)，是指两相或两相以上不相溶或具有相界面物质的混合体，是研究气态、液态、固态物质混合流动的学科。“相”指不同物态或同一物态的不同物理性质或力学状态。在能源、水利、化工、冶金等工业部门，以及气象、生物、航天等领域都涉及有多相流动的问题。随着近年来水资源开发利用的强度和速度的加大，以及人们对生态环境保护意识的日益增强，许多学者针对多相流的研究，特别是不同密度的液-液两相流即异重流的研究，已逐渐成为国内外流体研究的热点。

异重流是两种密度相差不大、可以相混的流体，因为密度的差异而发生的相对运动。从水利领域来看，特别是在由于水电开发而形成的大型深水库内，水流流速较慢，当汛期上游挟沙水流与水库内的清水相遇时，由于前者的密度比后者大，在特定水动力学条件下，挟沙水流就会潜入清水底部继续向前流动，形成含有大量泥沙的浑水异重流。例如，1935年美国米德湖蓄水，发生浑水异重流，并经底孔排出库，则引起了许多学者的关注。1953年汛期，我国官厅水库发生浑水异重流并排沙出库，国内因此便开展了相关研究。总之，泥沙异重流对水库寿命、航运、发电运行、下游河道水质及防洪安全均具有重要的影响。

另一种性质的两相流为温差异重流，即不同温度的水体由于密度差而引起浮力流。水库成库后由于水体蓄热作用导致水温出现分层现象，这种温差异重流对珍惜水生生物、鱼类繁殖及农作物灌溉会产生重要影响；发电厂冷却池及工业生产的热水排放都属于温差异重流的研究对象。此外，对于水域内污染物的扩散和降解规律研究、油污染控制及由此衍生的污染物预警以及供水安全研究等都是多相流研究的热点和难点问题。

多相流的发生和运动过程具有复杂的水动力学条件，只凭数值模拟研究其运动规律难以给出可信结果，因此必须结合相关多相流试验研究进行验证。目前，就国内外代表性的多相流试验水槽研究来看，尺寸都较小。国外已有研究入海口泥沙淤积问题的相关试验，但试验主要采用小尺度机理性试验装置，试验水槽一般长度仅为4.8m，高0.42m，且不能进行清水与浑水的切换试验。由于水库异重流问题与河道地形、坡降等要素密切相关，异重流运动规律复杂，加之泥沙研究中的不确定因素较多，因此需要进行10m以上大尺寸的物理模型试验研究。其次，国内虽然较早地开展了异重流相关研究，但相关试验装置多为60年代完成，由于受当时条件和技术水平的限制，水槽多为木制结构，糙率大且流场不稳定，同时试验量测手段也相对落后。而针对大尺寸的、能实现自动化实验监测的、多相流研究设计在我国还是一个空白，这正是本发明的任务所在。

发明内容

本发明的目的正是针对现有技术中所存在的缺陷，提出一种对水库泥沙异重流问题、污染物迁移扩散问题以及水力学实验演示进行研究的新型多相流试验水槽系统。该多相流试验水槽系统不仅尺寸大，提高了多相流研究的可靠性及准确性。并结合现代化量测手段进行分析，进而为多相流研究提供可靠依据。

为实现本发明的目的，本发明采用由以下措施构成的技术方案来实现的。

本发明多相流试验水槽系统，包括水槽主体，清水循环系统，浑水循环系统，水槽进水系统，控制系统以及出水口切换系统六大部分。其中，水槽主体底部设置有支架和千斤顶并用支撑铰链固定于地面；进水系统由第一取样放空出口和第二取样放空出口、第一手动阀门和第二手动阀门、第一流量计和第二流量计以及电磁阀门组组成，进水系统中电磁阀门组与水槽主体顶端连接；清水循环系统包括清水地下水池和清水地上水箱，清水地下水池通过第一水泵与清水地上水箱连接；浑水循环系统包括浑水地下水池和浑水地上水箱，浑水地下水池通过第二水泵与浑水地上水箱连接；进水系统中连接电磁阀门组的第一流量计与第一手动阀门连接，第一手动阀门连接第一取样放空出口，第一取样放空出口与清水地上水箱连接；进水系统中连接电磁阀门组的第二流量计与第二手动阀门连接，第二手动阀门连接第二取样放空出口；第二取样放空出口与浑水地上水箱连接；控制系统设置在水槽主体顶端水槽进水口侧；水槽出水口连接于水槽主体底端，出水口切换系统位于水槽主体底部外，并与清水地下水池和浑水地下水池连接。

上述技术方案中，所述水槽主体的长度为20m，宽度在15-40cm可变，坡度在0-4％可调的变宽、变坡度的玻璃水槽。

上述技术方案中，所述水槽主体底部的支架为可调节的伸缩支架，所述千斤顶为气压千斤顶。