一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型及实验方法技术

本发明专利技术涉及一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型及实验方法，属于水利水电工程中水环境研究技术领域。该方法在实验室内通过控制入流的含沙量、水温以及环境水体的初始垂向水温分布来模拟含沙水流对水库垂向水温的影响。采用PIV二维流场测量装置，有效地捕捉含沙水流形成异重流前锋的流场分布，为数值模拟的模型验证提供重要的流场验证资料。实验采用石英砂模拟含沙水流中的悬沙，成功模拟含沙水形成底部异重流、间层异重流对水温结构的影响。加热装置采用电热棒在水温温跃层位置加热，加热速度较现有的灯光加热方式速度更快，且方便控制温跃层位置，能够更加准确地控制初始温度场。

A physical model and experimental method for the influence of sediment laden flow on the water temperature structure of stratified reservoirs

The invention relates to a physical model and an experimental method of the influence of a sediment laden flow on the water temperature structure of a stratified reservoir, which belongs to the field of water environment research in water conservancy and hydropower engineering. In the laboratory, the effect of sediment laden flow on the vertical water temperature of the reservoir is simulated by controlling the sediment concentration, water temperature and the initial vertical water temperature distribution of the environmental water body. The PIV two-dimensional flow field measurement device is used to effectively capture the flow field distribution of the gravity flow forward with the sediment laden flow, and provide an important flow field verification data for the model verification of the numerical simulation. Quartz sand was used to simulate suspended sediment in sediment laden flow. The influence of sediment density and density flow on the water temperature structure was simulated successfully. The heating device uses the electric heating rod to heat the temperature thermocline position in the water temperature. The heating speed is faster than the existing light heating mode, and the thermocline position can be controlled conveniently, and the initial temperature field can be controlled more accurately.

【技术实现步骤摘要】
一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型及实验方法
本专利技术涉及水利水电工程水环境研究领域，具体涉及一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型及实验方法。
技术介绍
水利工程的建设尤其是大型高坝水库的建设对流域的防洪、供水、发电和航运等提供了强有力的保障。我国各大流域相继开发利用水能资源，特别是梯级电站的开发，改变了河流的天然径流属性，受干扰河段的水温时空变化过程发生显著改变，水库库区垂向温度出现分层结构，下泄水温较天然历史水温出现明显的均化效应、延迟效应和春夏季低温水、秋冬季高温水的现象。大量研究资料表明，水温过程的变异对水库库区及下游河道的生态系统产生深远影响。水库的库区水温变化和下泄水温过程的变幅，主要与上游来流量、水库调度方式、气温、水面热交换等诸多因素有关，属于复杂的热力学问题。汛期连续降雨，上游洪水携带大量泥沙进入温度分层的水库，来流含沙水与库内清水形成密度差，并由此产生压力差形成异重流下潜，可能会形成底部异重流、间层流或者表面异重流继续向前行进，破坏库区的温度分层结构。若前锋运动至坝前不能及时排除，会在坝前涌高爬升，进一步破坏坝前水温分层结构，影响下泄水温。水温和泥沙耦合的相互作用机理复杂，它涉及到环境水力学、生态学、水工水力学等许多领域，其研究难度极大，目前，关于此机理的研究仍较为匮乏。含沙水流对温度分层型水库水温结构影响的原型观测成本高，且难以捕捉到含沙水流形成的异重流对库区水温的影响过程，观测时机难以把握。因此，本课题组提出一种含沙水流对温度分层型水库水温的物理模型实验研究的新方法，在实验室内通过控制入流的含沙量和水温以及环境水体的初始垂向水温分布模拟含沙水流对水库垂向水温的影响，通过室内物理模型实验结果揭示泥沙和水温的相互耦合作用机理，以及入流水温、含沙量对库区水温影响程度。
技术实现思路
本专利技术提出一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型实验方法。该方法用在实验室内通过控制入流的含沙量和水温以及环境水体的初始垂向水温分布模拟含沙水流对水库垂向水温的影响，通过室内物理模型实验结果揭示泥沙和水温的相互耦合作用机理，以及入流水温、含沙量对库区水温影响程度。为了实现上述的技术特征，本专利技术的目的是这样实现的：一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，它包括用于制备和提供含沙水的进水循环系统，所述进水循环系统和用于模拟分层型水库实验的实验水槽系统相连，所述实验水槽系统与出水系统相连，所述进水循环系统和实验水槽系统上设置有温度监测装置和流场监测装置。所述进水循环系统包括含沙水制备箱，所述含沙水制备箱内部连通有出水管，所述出水管上依次安装有离心泵和流量计，所述离心泵和流量计之间的管路上通过三通管连接有第一循环管，所述第一循环管上安装有第一阀门；所述含沙水制备箱的内部安装有两个双层螺旋杆搅拌器。所述实验水槽系统包括进水箱，所述进水箱的顶部设置有进水管，所述进水管与进水循环系统的出水管末端相连，所述进水管上安装有第二阀门，所述进水箱的顶部出水口设置有进水挡板，所述出水口与模型水槽相连，所述模型水槽的尾部通过三个高度不同的第一出水管、第二出水管和第三出水管与出水系统的出水箱相连，且在每个出水管上都各自安装有出口阀门。所述进水箱的侧面安装有溢流箱，所述进水箱和溢流箱的底部分别连通有第一排水管和第二排水管，所述第一排水管上安装有第三阀门；所述第一排水管和第二排水管都与出水系统的总排水管相连，所述总排水管与出水箱相连。所述模型水槽依次设置有平坡进口段、斜坡段和平坡段；所述模型水槽为敞口水槽，水面与空气接触，所述温度监测装置布置在斜坡段和平坡段上。所述温度监测装置包括装置固定夹、自记式温度记录仪、温度探头和垂向位置固定板；所述垂向位置固定板上钻取有等间距的孔洞，所述孔洞内部固定安装温度探头，所述温度探头与自记式温度记录仪相连；所述流场监测装置的激光器布置在模型水槽的出水口端，从出水口向进水口方向进光，高速相机布置在模型水槽的侧面。采用任意一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型的实验方法，在室内通过控制入流含沙水的含沙量、水温和环境水体的初始垂向水温分布的实验进行含沙水流对水库垂向水温的影响程度研究，通过室内物理模型实验结果揭示泥沙和水温的相互耦合作用机理，以及入流水温、含沙量对库区水温影响程度；包括以下步骤：步骤一，在含沙水制备箱和模型水槽中装好水，按照工况设置流量参数调好进口闸阀和出口闸阀的开度，整个循环系统稳定运行5～10min后关闭离心泵电源，以保证闸阀开度合适，进出口水流稳定，模型水槽中水面平稳；步骤二，采用电热棒将含沙水制备箱中的水加热到预定水温，用自记式温度记录仪监测水温，将细颗粒的石英沙作为模型沙模拟天然洪水中的悬沙，根据工况设置称取石英砂配制成相应含沙量的含沙水体，充分搅拌均匀，以保证均匀含沙量的水流进入试验水槽，以此模拟天然河流入流的含沙水；步骤三，将电热棒固定在预定初始温度分层结构的温跃层高度，通电对模型水槽内水体进行加热，用垂向温度监测装置监测初始温度场情况，待水面温度达到预定温度时停止加热，取走电热棒；步骤四，用进水挡板隔断模型水槽内平坡进口段和平坡段的水体，放空平坡进口段的水后关闭回水阀，开启离心泵抽取预定温度的含沙水进入平坡进口段，多余的水溢流进入溢流箱，准备工作结束后，取走进水挡板，开启出口阀门到预定开度，开始实验；步骤五，实验过程中记录含沙水流形成的异重流前锋到预定位置时的到达时间、同步的垂向温度记录仪的温度读数、含沙水的入流水温、模型水槽出口水温。步骤六，流场监测装置的激光器布置在模型水槽的出水口端，从出水口向进水口方向进光，高速相机布置在模型水槽的侧面，实验开始前预热PIV测量系统的激光器及同步器等设备，摆好高速相机的位置，完成找准、对焦工作，用激光器发光，移动模型水槽中的标定尺子，使其在激光片平面内，关闭激光器，移去相机盖，试拍单张，调整好焦距和位置后，切换到采集模式，取走标定尺子；在前锋下潜时，关闭外源灯光，开始采集同步流场图片，拍摄结束后盖上相机盖；对图片进行后处理和分析。步骤七，在实验过程结束后，关闭离心泵，清理实验设备，整理垂向水温和斜坡段水温的监测数据。所述模型水槽温度分层温跃梯度与模拟水库的温跃梯度相近，控制在0.48℃/cm～0.56℃/cm。所述含沙水中悬沙为石英砂颗粒，其沉降速度受细颗粒絮凝影响较小。所述含沙水分为5个温度梯度入流，分别为10.4℃、14.4℃、18.3℃、23℃、25.6℃，含沙量为1.5kg/m3，入流流量控制为0.75m3/h，出流流量控制为0.75m3/h，模型水槽内水位维持稳定，入流温度为10.4℃含沙水形成底部异重流下潜，而另外四组实验中含沙水入流均形成间层异重流下潜。本专利技术有如下有益效果：1、本专利技术提出一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的室内物理模型，能够模拟不同物理特性的含沙水入流对环境水体温度结构的影响过程。为揭示入流含沙水的温度和含沙量对库区水温结构的影响研究提供基础数据支持。2、本专利技术提出进水循环系统中在离心泵和流量计之间的管路上通过三通管连接有第一循环管，第一循环管上安装有第一阀门，第一循环管的出口与进水箱相连。能实现精确的控制入流流量，多余的含沙水通过第一循环管回流到进水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，它包括用于制备和提供含沙水的进水循环系统（33），所述进水循环系统（33）和用于模拟分层型水库实验的实验水槽系统（34）相连，所述实验水槽系统（34）与出水系统（35）相连，所述进水循环系统（33）和实验水槽系统（34）上设置有温度监测装置和流场监测装置。

【技术特征摘要】
1.一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，它包括用于制备和提供含沙水的进水循环系统（33），所述进水循环系统（33）和用于模拟分层型水库实验的实验水槽系统（34）相连，所述实验水槽系统（34）与出水系统（35）相连，所述进水循环系统（33）和实验水槽系统（34）上设置有温度监测装置和流场监测装置。2.根据权利要求1所述的一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，其特征在于：所述进水循环系统（33）包括含沙水制备箱（1），所述含沙水制备箱（1）内部连通有出水管（2），所述出水管（2）上依次安装有离心泵（3）和流量计（4），所述离心泵（3）和流量计（4）之间的管路上通过三通管连接有第一循环管（6），所述第一循环管（6）上安装有第一阀门（5）；所述含沙水制备箱（1）的内部安装有两个双层螺旋杆搅拌器。3.根据权利要求1所述的一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，其特征在于：所述实验水槽系统（34）包括进水箱（9），所述进水箱（9）的顶部设置有进水管（8），所述进水管（8）与进水循环系统（33）的出水管（2）末端相连，所述进水管（8）上安装有第二阀门（7），所述进水箱（9）的顶部出水口设置有进水挡板（13），所述出水口与模型水槽相连，所述模型水槽的尾部通过三个高度不同的第一出水管（25）、第二出水管（26）和第三出水管（27）与出水系统（35）的出水箱（28）相连，且在每个出水管上都各自安装有出口阀门。4.根据权利要求3所述的一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，其特征在于：所述进水箱（9）的侧面安装有溢流箱（14），所述进水箱（9）和溢流箱（14）的底部分别连通有第一排水管（17）和第二排水管（15），所述第一排水管（17）上安装有第三阀门（16）；所述第一排水管（17）和第二排水管（15）都与出水系统（35）的总排水管（29）相连，所述总排水管（29）与出水箱（28）相连。5.根据权利要求3所述的一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，其特征在于：所述模型水槽依次设置有平坡进口段（10）、斜坡段（11）和平坡段（12）；所述模型水槽为敞口水槽，水面与空气接触，所述温度监测装置布置在斜坡段（11）和平坡段（12）上。6.根据权利要求1所述的一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，其特征在于：所述温度监测装置包括装置固定夹、自记式温度记录仪、温度探头和垂向位置固定板；所述垂向位置固定板上钻取有等间距的孔洞，所述孔洞内部固定安装温度探头，所述温度探头与自记式温度记录仪相连；所述流场监测装置包括激光器（37）和高速相机（36），所述激光器（37）布置在模型水槽的出水口端，从出水口向进水口方向进光，所述高速相机（36）布置在模型水槽的侧面。7.采用权利要求1-6任意一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型的实验方法，其特征在于：在室内通过控制入流含沙水的含沙量、水温和环境水体的初始垂向水温分布的实验进行含沙水流对水库垂向...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦蕾蕾，於三大，李嘉，李克锋，董先勇，权录年，梁瑞峰，严忠銮，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，中国三峡建设管理有限公司，四川大学，
类型：发明
国别省市：北京,11