[实用新型]一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置

说明书

技术领域

本实用新型属于环境流体力学、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： 1）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。本实用新型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 Dopler 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

本实用新型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。 

本实用新型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、取样系统和控制柜组成，其中： 

所述环形水槽1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，所述环片6的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；