[发明专利]一种基于水跃现象的河底垃圾清理装置

权利要求书

1.一种基于水跃现象的河底垃圾清理装置，其特征在于：包括船体、升降挡板、主螺旋桨、副螺旋桨、控制总成、蓄电池、水深传感器、流速传感器，所述的主螺旋桨和副螺旋桨分别设在船体底部，主螺旋桨设在后部，副螺旋桨设在前部；所述的升降挡板竖直设在船体后端，位于主螺旋桨后方；主螺旋桨和副螺旋桨分别由数个横向并排设置的小螺旋桨组成，升降挡板与船体前进方向垂直设置，升降挡板的宽度与主螺旋桨的总宽度相同；控制总成和蓄电池设在船体上，控制总成通过线路与升降挡板、主螺旋桨、副螺旋桨相连，控制升降挡板的升降，控制主螺旋桨、副螺旋桨运行；水深传感器和流速传感器分别设在升降挡板下端，并通过线路与控制总成相连，将采集的数据传输给控制总成；蓄电池通过线路与升降挡板、主螺旋桨、副螺旋桨、水深传感器和流速传感器相连，提供电能；

利用水跃现象产生的涡流，将河底的垃圾抛向水面，再通过船体尾部拖挂的机械臂或网兜或后方配合的打捞船等方式打捞上来，实现河底垃圾的清理；

当发生水跃时，水跃区间为：

L＝6.9(h₂-h₁) (1)

其中h₁为水跃初始点深度，h₂为水跃后高度，L为水跃长度，即水跃区间；

根据夫汝德数的定义：

通过流速与矩形流道的关系可推导出：

其中Fr为夫汝德数，v为流速，g为重力加速度，取9.8m/s²，h为水深，Q为流量；

根据水跃公式：

进而可得：

其中，h₁为水跃初始点深度，h₂为水跃后高度，Fr₁为水跃发生前的夫汝德数，g为重力加速度，取9.8m/s²，Q₁为跃前流量。

2.根据权利要求1所述的一种基于水跃现象的河底垃圾清理装置，其特征在于：垃圾清理装置的控制方法如下：

(1)水跃初始点的深度h₁的控制：

升降挡板插入的深度不同会影响流量与流速，根据夫汝德数公式，流速直接影响夫汝德数，进而影响水跃区间，根据伯努利方程：

其中p为压强，ρ为水的密度，取10³kg/m³，v为流速，h为水的深度，C为常数，说明等式左侧恒等于一个常数，由此本装置选取0和1两点，0为升降挡板前方平静水面上的点，1为升降挡板的下端点或水跃初始点，得出以下等式：

其中p₀为0点的绝对压强，v₀为0点的流速，h₀为0点的深度，p₁为1点即水跃初始点的绝对压强，v₁为1点即水跃初始点的流速，h₁为1点即水跃初始点的深度，g为重力加速度，取9.8m/s²，ρ为水的密度，取10³kg/m³，得：

根据水跃消能理论，确定夫汝德数处于4.5-9时形成的涡流较为稳定且其冲击力度足够扬起河底垃圾；

因此，当初流速v₀一定时，根据：

推出：

进而挡板插入深度Δh可表示为：

Δh＝h₀-h₁ (11)

其中，v₀为0点的流速，h₀为水面0点的深度，v₁为1点即水跃初始点的流速，h₁为1点即水跃初始点的深度，g为重力加速度，取9.8m/s²；

升降挡板下端水深传感器检测到水跃初始点水深h₁时，通过信号反馈，控制升降挡板插入深度，进而改变水跃初始点的流速；

(2)水流初始流速v₀的控制：

对于流速缓慢的河流或者不流动的湖等区域，应用主螺旋桨来控制水的初始流速：

根据螺旋桨定律：

P＝0.45eD⁴n³ (12)

其中，P为螺旋桨的驱动功率，e为螺旋桨的螺距，D为螺旋桨的桨径，n为螺旋桨转速，式中e，D均为常数，因此螺旋桨功率P是与螺旋桨转速n成正比的，由于螺旋桨电机的功率p_B与螺旋桨的驱动功率P之间存在能量损耗因素，为了更便捷的调控螺旋桨的转速，通过经验转化公式：

其中P_B为螺旋桨电机的功率，P为螺旋桨的驱动功率，由此本装置通过调节螺旋桨电机的功率来调控螺旋桨的转速；

本装置为在低流速甚至静水条件下引起水跃的发生，通过主螺旋桨控制其后的水的流速；

根据Albertson的船用螺旋桨对水流扰动公式：

其中，v₀为螺旋桨扰动后水的初始流速，n为螺旋桨转速，D为螺旋桨桨径，C_t为螺旋桨推力系数，上述三式叠加，得到：

其中，v₀为螺旋桨扰动后水的初始流速，C_t为螺旋桨推力系数，P为螺旋桨的驱动功率，e为螺旋桨的螺距，D为螺旋桨桨径，此时得到在静水环境下，受螺旋桨扰动的水的流速，并把此流速与螺旋桨驱动电机的功率建立联系，通过改变螺旋桨电机的功率直接改变发生水跃的初始流速；

(3)对涡流的控制：

由于对挡板的控制影响水跃初始点流速v₁，对螺旋桨的控制影响河流的初始速度v₀，将上述两种控制叠加得：

其中，v₁为水跃初始点流速，C_t为螺旋桨推力系数，P为螺旋桨的驱动功率，e为螺旋桨的螺距，D为螺旋桨桨径，g为重力加速度，取9.8m/s²，h₀为水面无扰动正常情况下的深度，h₁为水跃初始点的深度；

至此，本装置有了完善的对水跃参数：水跃初始点流速v₁、水跃初始点深度h₁、水跃区间L的控制，通过升降挡板插入深度与螺旋桨对水流的扰动人为的实现水跃现象。