[发明专利]自动生成地形的河流演变模拟装置及实验方法

权利要求书

1.一种自动生成地形的河流演变模拟装置，其特征在于：包括矩形框架结构(1)、地形打印系统、水循环系统和编程控制及采集系统，所述地形打印系统采用三轴运动机构，包括固定在所述矩形框架结构(1)上的平行双X导轨(2)，所述双X导轨(2)通过轴座固定在所述矩形框架结构(1)，在所述双X导轨(2)之间水平设置有沿双X导轨(2)水平滑动的Y导轨(3)，在所述Y导轨(3)上竖直设置有沿Y导轨(3)水平滑动的Z导轨(4)，在所述Z导轨(4)上设置有沿Z导轨(4)竖直滑动的打印喷嘴(6)，所述双X导轨(2)、Y导轨(3)和Z导轨(4)均由两条直径12mm的平行圆钢轨道组成，在两条平行圆钢轨道的正中间位置均设置有丝杆(21)，在所述双X导轨(2)、Y导轨(3)和Z导轨(4)上分别设置有穿过两条平行圆钢轨道且与丝杆(21)转动连接的滑块(22)，每个丝杆(21)的一端均与步进电机(5)转动连接且控制器(19)控制每个步进电机(5)的转动，所述打印喷嘴(6)固定在所述Z导轨(4)上的滑块(22)上，所述打印喷嘴(6)通过管线依次连接慢速泥浆泵(18)和泥浆罐(17)；所述水循环系统包括安装在所述矩形框架结构(1)上且用于支撑地形模型的下水底板(23)和位于所述下水底板(23)下方且用于收集河流在演变过程中的泥浆水的收集槽(24)，所述下水底板(23)设置为中间凸起且四周凹陷形成围槽(25)的结构，所述围槽(25)向中心方向倾斜且底部均匀开设有若干下水孔(26)，所述收集槽(24)为一侧斜向下15°倾斜的梯形结构且最低侧设有出水口，出水口与一级沉降罐(10)连接，所述收集槽(24)通过管线依次连接有一级沉降罐(10)、二级沉降罐(12)、过滤器(13)和水泵(14)，所述水泵(14)的出水管线并联连接有用于模拟降雨的喷淋器(8)和用于模拟河流入水口的流水管头(9)；所述喷淋器(8)铰接于所述矩形框架结构(1)上，所述喷淋器(8)和所述水泵(14)之间的管线上设置有第二截止阀(16)，所述流水管头(9)为固定在矩形框架结构(1)上可自由改变形状的定型软管，所述流水管头(9)和水泵(14)之间的管线上设置有流量控制阀(15)，所述编程控制及采集系统包括编程计算机(20)和分别与编程计算机(20)电性连接的控制器(19)和用于采集记录河流演变过程的视频监控器(7)，所述控制器(19)根据编程计算机(20)的指令分别控制三轴运动机构和慢速泥浆泵(18)。

2.根据权利要求1所述的一种自动生成地形的河流演变模拟装置，其特征在于：所述矩形框架结构(1)长1500mm、宽800mm、高1000mm且采用5mm厚度的角钢结构焊接而成，框架四个侧面安装有塑料或玻璃隔板。

3.根据权利要求1所述的一种自动生成地形的河流演变模拟装置，其特征在于：所述一级沉降罐(10)和二级沉降罐(12)的尺寸均为直径500mm、高度800mm、容积0.15m³的敞口罐，在所述一级沉降罐(10)高600mm处与二级沉降罐(12)之间通过管线连接，在管线上设置有第一截止阀(11)。

4.根据权利要求1所述的一种自动生成地形的河流演变模拟装置，其特征在于：所述过滤器(13)为上滤层采用过滤棉材料和下滤层采用活性炭材料的双滤层结构。

5.根据权利要求1所述的自动生成地形的河流演变模拟装置进行自动生成地形的河流演变模拟的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、准备工作：

①在编程计算机(20)上绘制地形等高线图，自动生成对应的三维地形图，并导出控制代码；

②通过编程计算机(20)预置的归零代码，导入控制器(19)，调整打印喷嘴(6)至原点位置；

③配置泥浆并装入泥浆罐(17)中；

④往二级沉降罐(12)中预装清水；

⑤检查水泵(14)、慢速泥浆泵(18)、喷淋器(8)，流水管头(9)是否能正常工作；

⑥清洗下水底板(23)；

S2、打印地形：

①将编程计算机(20)导出的控制代码导入控制器(19)；

②通过控制器(19)控制慢速泥浆泵(18)和步进电机(5)的运行从而控制打印喷嘴(6)的运动轨迹实现三维地形的打印；

③三维地形打印好后待干燥一段时间；

S3、河流演变模拟：

①将第一截止阀(11)打开、第二截止阀(16)关闭，将流水管头(9)固定至指定位置；

②启动水泵(14)，调节流量控制阀(15)改变流水管头(9)的出水量；

③再将第二截止阀(16)打开，通过移动喷淋器(8)的喷头至不同位置可以模拟降雨环境；

④下水底板(23)上的演变过程中的泥浆水依次流入到收集槽(24)、一级沉降罐(10)、二级沉降罐(12)中，通过过滤器(13)将泥浆水过滤成清水后循环利用；

S4、清理及再次实验：

①河流演变模拟实验结束时，需清洗一级沉积罐(10)、二级沉积罐(12)、过滤器(13)下水底板(23)和收集槽(24)等；

②再次实验时可重复步骤S1-S4。