一种动水沉速试验装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种动水沉速试验装置及其试验方法，其中该装置包括沉降筒，以及可测量沉降筒内水体流速的流速仪、水深测量设备、对沉降筒内水体进行加热及温度控制的加热设备和温度控制及检测设备、经外部引入的高压气体对沉降筒内水体进行搅拌的气体搅拌设备，还包括可沿设定轨道于所述沉降筒内以给定频率和幅度上下振动的格栅。具有操作方便、易于控制等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种动水沉速试验装置及试验方法
本专利技术涉及一种动水沉速试验设备及其试验方法，具体应用于水利、海洋、水运工程科研领域的颗粒动水沉降密实试验。
技术介绍
已有大量研究表明，对于细颗粒泥沙或者粘性泥沙而言，当天然非均匀泥沙中粘性成分占一定比例后，泥沙的沉降特性会发生显著而复杂的变化。水温、水质、盐度、水流脉动(紊动)、含沙量等水体环境对沉速有着重要的影响，清水、静水中的沉速对细颗粒而言参考价值不大。为解决实际运动水流环境中的泥沙沉降速度与沉降筒内沉降速度的差异，在相关文献中，常可见“动水沉速”这个概念；或者在若干数值模拟中，甚至人为引入一个经验系数，考虑所谓对静水沉速的修正，认为在实际的水流紊动环境中，泥沙的自然下降速度会因水流运动而改变。所谓紊动对沉速的影响或修正，从微观来讲，是由于涡团尺度或者紊动动能的改变使得垂向紊动扩散能力和流体的紊动粘性有所变化，这会加强或者减弱泥沙颗粒的碰撞概率，影响絮团尺寸和结构。在一定的紊动强度范围内水流紊动会增强絮凝导致沉速增加(动水沉速大于静水沉速)；当紊动强度超过一定范围时，紊动就会对泥沙絮团或絮网结构产生破坏效应，导致沉速减弱，即动水沉速小于静水沉速。目前，我们对这个物理过程的了解还很不深入，大多都只能通过简单现象或概化过程来描述，暂无法了解其详细的微观物理过程和相关机理。对于细颗粒泥沙沉降特性问题，尤其是静—动水沉速问题的深入理解和研究有着迫切的需求。水流紊动对细颗粒泥沙絮凝沉降过程的影响是细颗粒泥沙动力过程复杂性的核心体现之一。如何直接获取水流紊动条件下，细颗粒泥沙的沉降速度一直以来都是泥沙研究领域的一个难点和热点问题。对于该问题的探讨将在一定程度上补充我们对细颗粒泥沙机理和动力过程的认识。弄清楚水流紊动对沉降速度的影响不仅能直接为物理模型试验、数值模拟研究提供可靠、准确的物理参数，同时也为我们分析相关细颗粒泥沙问题提供一定参考。此外从我国海洋及水运经济发展的需求出发，通过加大细颗粒泥沙基本特性问题的相关基础研究可期为探讨诸如水库淤积、航道回淤等问题提供科学支撑。以往沉降筒内水流处于静止状态，无法考虑水流流动在微观上引起的水质点脉动对泥沙沉降过程的影响。并且也有文献采用环形水槽来测定动水沉速(环形水槽法)，经对比试验，环形水槽法主要有如下不足：(1)、沉降距离过短，一般只有50cm以内，无法完全捕捉细颗粒泥沙的非等速沉降过程；(2)、由于泥沙沉降速度的范围一般在毫米级左右，环形水槽内的垂向二次次生环流的误差会大大干扰沉降速度的精度；(3)、环形水槽内的水流脉动与实际水体中的水流脉动存在差异；(4)、槽内泥沙沉降量难以精确统计；(5)、槽内的泥沙起动会干扰泥沙沉降过程；上述不足会直接导致沉速计算偏差较大。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种便于研究和认识水利紊动条件下细颗粒沉降特性的动水沉速试验装置。其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。一种动水沉速试验装置，包括沉降筒，以及：可测量沉降筒内水体流速的流速仪、水深测量设备、对沉降筒内水体进行加热及温度控制的加热设备和温度控制及检测设备、经外部引入的高压气体对沉降筒内水体进行搅拌的气体搅拌设备，还包括可沿设定轨道于所述沉降筒内以给定频率和幅度上下振动的格栅。作为本技术方案的进一步改进，该装置还包括可测量沉降筒内水体含沙量的浊度仪。也作为本技术方案的进一步改进，所述上下振动的格栅的栅格内孔长度和格网宽度比例约为5，栅格振动频率不大于10Hz。其中，所述沉降筒为圆筒，其内径为0.4～1m，筒深为1.5～2.5m。作为本专利技术的优选实施例之一，所述格网由边长为50mm的方格单元构成。还作为本技术方案的进一步改进，所述流速仪的输出频率为25Hz以上。也作为本专利技术的优选实施例之一，所述加热设备和温度控制及检测设备包括不锈钢电热棒、不锈钢防爆电热棒、数字式电子温度计。还作为本专利技术的优选实施例之一，所述格栅为有机玻璃格栅。本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供一种上述动水沉速试验装置的试验方法。为了解决以上技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种动水沉速试验装置的试验方法，包括如下步骤：(1)、在清水条件下，率定出格栅振动频率、振动幅度与紊动强度的相关关系；(2)、选择浊度仪时，则在准备阶段率定出浊度仪的浊度与含沙量的关系；(3)、先向沉降筒内注入试验水样至接近预定水深处，根据预先设定的试验条件和组次，控制沉降筒内水温、盐度等因子，开启格栅造紊设备；(4)、向沉降筒内加入预制的高浓度分散状沙样，搅拌均匀，测量一个垂线的初始含沙量，若低于预设值，再加入沙样并搅拌后再次测量，循环往复，直到接近预设初始泥沙浓度值；(5)、采用浊度仪法或过滤法测定垂线上下的含沙量，上下层浊度差异宜控制在5％以内，浊度仪上下移动速度应控制在1-2米每分钟；(6)、停止搅拌1～3分钟后，开始逐时测量桶内垂线泥沙浓度，初始测量时间间隔为3～5分钟，1～2小时后测量间隔逐渐延长，最终获取一组预设初始含沙量、紊动强度及其它测试控制条件下的沉降过程中的垂线浓度随时间变化的过程图；(7)、根据下面计算公式，计算该条件下的泥沙平均沉速：a、沙量连续方程式为：式中S——为对应的水深z处、t时刻的含沙量；ω——为对应的水深z处、t时刻的瞬时泥沙沉速；b、根据沙量连续方程，对水深z积分得，c、通过测定不同沉降历时沿水深h的含沙量分布，运用有限差分法，求出不同水深h处瞬时沉速随沉降历时t的变化；求各水深处得断面平均沉速，以含沙量达到初始含沙量的50％时的沉降历时t0.5内的平均值，得水深h处的断面平均沉速为：作为该试验方法的进一步改进，所述初始含沙量的预订值为0.3～50g/l；所述沉降筒内水温控制范围为17～35℃。采用上述技术方案的动水沉速试验装置及其试验方法，通过开发的振动栅格式动水沉速室内试验装置，以振动栅格制造的紊动来模拟水流流动产生的水体脉动，然后在此沉降筒内采用以往的多层重复含沙量法推算泥沙的动水沉速。对比于通过静水沉降筒，本装置能研究水流紊动对泥沙沉速的修正；与环形水槽法相比，本试验装置的主要特点和优势如下：(1)、水流紊动条件可由振动格栅精确控制；(2)、沉降距离长，可以通过初始含沙量的精确控制，来研究细颗粒泥沙非等速沉降不同阶段的特征；(3)、搭载先进的声学光学含沙量测量仪器，测量的精度高、测量泥沙浓度的范围广，同时可测量垂线上连续浓度梯度；(4)、横向尺寸相对以往沉降管而言较大，可保证先进测量仪器在测量过程中对水体干扰较小，同时取水沙样时，水量的损失小，对结果的影响也小；(5)、操作方便，水温、盐度、水深、初始含沙量等参数均可方便地进行调节。附图说明图1为本专利技术所述沉降筒的截面示意图；图2为其中一个实施例的格栅结构示意图；图3为另一实施例的格栅结构示意图；图中：1——有机玻璃格栅2——导轨3——电机4——进水阀5——进气阀6——出水阀7——沉降筒具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细说明。如图所示的振动栅格式动水沉速室内试验装置，在沉降筒7内搭载有浊度计、水深测量设备、单点高频流速仪、自动升温保温设备及高压气体搅拌装置等。有机玻璃格栅1经电机3带动，可以沿轨道2上下振动，其中，轨道2分布于沉降筒7四周，沿沉降本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动水沉速试验装置，其特征在于，包括沉降筒，以及：可测量沉降筒内水体流速的流速仪、水深测量设备、对沉降筒内水体进行加热及温度控制的加热设备和温度控制及检测设备、经外部引入的高压气体对沉降筒内水体进行搅拌的气体搅拌设备，还包括可沿设定轨道于所述沉降筒内以给定频率和幅度上下振动的格栅。

【技术特征摘要】
1.一种动水沉速试验装置，其特征在于，包括沉降筒，以及：可测量沉降筒内水体流速的流速仪、水深测量设备、对沉降筒内水体进行加热及温度控制的加热设备和温度控制及检测设备、经外部引入的高压气体对沉降筒内水体进行搅拌的气体搅拌设备，还包括可沿设定轨道于所述沉降筒内以给定频率和幅度上下振动的格栅。2.根据权利要求1所述的动水沉速试验装置，其特征在于，还包括可测量沉降筒内水体含沙量的浊度仪。3.根据权利要求1所述的动水沉速试验装置，其特征在于，所述上下振动的格栅的栅格内孔长度和格网宽度比例约为5，栅格振动频率不大于10Hz。4.根据权利要求1或3所述的动水沉速试验装置，其特征在于，所述沉降筒为圆筒，其内径为0.4～1m，筒深为1.5～2.5m。5.根据权利要求4所述的动水沉速试验装置，其特征在于，所述格网由变成为边长为50mm的方格单元构成。6.根据权利要求1所述的动水沉速试验装置，其特征在于，所述流速仪的输出频率为25Hz以上。7.根据权利要求1所述的动水沉速试验装置，其特征在于，所述加热设备和温度控制及检测设备包括不锈钢电热棒、不锈钢防爆电热棒、数字式电子温度计。8.根据权利要求1、3或5所述的动水沉速试验装置，其特征在于，所述格栅为有机玻璃格栅。9.采用权利要求1、2或3所述动水沉速试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、在清水条件下，率定出格栅振动频率、振动幅度与紊动强度的相关关系；(2)、选择浊度仪时，则...

【专利技术属性】
技术研发人员：万远扬，王巍，沈淇，邱治兴，
申请(专利权)人：上海河口海岸科学研究中心，
类型：发明
国别省市：上海,31