多相流试验水槽系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多相流试验水槽系统。该系统包括主体，清水循环系统，浑水循环系统，进水系统，控制系统及出水口切换系统六大部分。主体底部设有支架和千斤顶，用支撑铰链固定于地面，可调节水槽宽度和坡度；进水系统由取样放空出口、手动阀门、流量计和电磁阀门组组成，进水系统与主体顶端连接；控制系统设置在主体顶端侧面以控制所有开关；出水口切换系统设在主体出水口侧外端，与清水循环系统中清水地下水池和浑水循环系统中浑水地下水池连接。本发明专利技术独立的清水和浑水循环系统，减少了试验用水量和试验成本，且对污染水样便于回收处理；出水口系统的清水浑水切换装置，设计简单且操作方便，有效解决了不同循环系统间的切换问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水力学多相流研究及水环境保护技术，特别涉及一种水利水电工程设计 研究中的水库泥沙异重流问题的多相流试验水槽系统。
技术介绍
多相流(Multiphase Flow),是指两相或两相以上不相溶或具有相界面物质的混合 体，是研究气态、液态、固态物质混合流动的学科。"相"指不同物态或同一物态的不 同物理性质或力学状态。在能源、水利、化工、冶金等工业部门，以及气象、生物、航 天等领域都涉及有多相流动的问题。随着近年来水资源开发利用的强度和速度的加大， 以及人们对生态环境保护意识的日益增强，许多学者针对多相流的研究，特别是不同密 度的液-液两相流即异重流的研究，已逐渐成为国内外流体研究的热点。异重流是两种密度相差不大、可以相混的流体，因为密度的差异而发生的相对运动。 从水利领域来看，特别是在由于水电开发而形成的大型深水库内，水流流速较慢，当汛 期上游挟沙水流与水库内的清水相遇时，由于前者的密度比后者大，在特定水动力学条 件下，挟沙水流就会潜入清水底部继续向前流动，形成含有大量泥沙的浑水异重流。例 如，1935年美国米德湖蓄水，发生浑水异重流，并经底孔排出库，则引起了许多学者的 关注。1953年汛期，我国官厅水库发生浑水异重流并排沙出库，国内因此便开展了相关 研究。总之，泥沙异重流对水库寿命、航运、发电运行、下游河道水质及防洪安全均具 有重要的影响。另一种性质的两相流为温差异重流，即不同温度的水体由于密度差而引起浮力流。 水库成库后由于水体蓄热作用导致水温出现分层现象，这种温差异重流对珍惜水生生 物、鱼类繁殖及农作物灌溉会产生重要影响；发电厂冷却池及工业生产的热水排放都属 于温差异重流的研究对象。此外，对于水域内污染物的扩散和降解规律研究、油污染控 制及由此衍生的污染物预警以及供水安全研究等都是多相流研究的热点和难点问题。多相流的发生和运动过程具有复杂的水动力学条件，只凭数值模拟研究其运动规律 难以给出可信结果，因此必须结合相关多相流试验研究进行验证。目前，就国内外代表 性的多相流试验水槽研究来看，尺寸都较小。国外已有研究入海口泥沙淤积问题的相关 试验，但试验主要采用小尺度机理性试验装置，试验水槽一般长度仅为4.8m，高0,42m，且不能进行清水与浑水的切换试验。由于水库异重流问题与河道地形、坡降等要素密切 相关，异重流运动规律复杂，加之泥沙研究中的不确定因素较多，因此需要进行10m以 上大尺寸的物理模型试验研究。其次，国内虽然较早地开展了异重流相关研究，但相关 试验装置多为60年代完成，由于受当时条件和技术水平的限制，水槽多为木制结构，糙 率大且流场不稳定，同时试验量测手段也相对落后。而针对大尺寸的、能实现自动化实 验监测的、多相流研究设计在我国还是一个空白，这正是本专利技术的任务所在。
技术实现思路
本专利技术的目的正是针对现有技术中所存在的缺陷，提出一种对水库泥沙异重流问 题、污染物迁移扩散问题以及水力学实验演示进行研究的新型多相流试验水槽系统。该 多相流试验水槽系统不仅尺寸大，提高了多相流研究的可靠性及准确性。并结合现代化 量测手段进行分析，进而为多相流研究提供可靠依据。为实现本专利技术的目的，本专利技术采用由以下措施构成的技术方案来实现的。 本专利技术多相流试验水槽系统，包括水槽主体，清水循环系统，浑水循环系统，水槽 进水系统，控制系统以及出水口切换系统六大部分。其中，水槽主体底部设置有支架和 千斤顶并用支撑铰链固定于地面；进水系统由第一取样放空出口和第二取样放空出口、 第一手动阀门和第二手动阀门、第一流量计和第二流量计以及电磁阀门组组成，进水系 统中电磁阀门组与水槽主体顶端连接；清水循环系统包括清水地下水池和清水地上水 箱，清水地下水池通过第一水泵与清水地上水箱连接；浑水循环系统包括浑水地下水池 和浑水地上水箱，浑水地下水池通过第二水泵与浑水地上水箱连接；进水系统中连接电 磁阀门组的第一流量计与第一手动阀门连接，第一手动阀门连接第一取样放空出口，第 一取样放空出口与清水地上水箱连接；进水系统中连接电磁阀门组的第二流量计与第二 手动阔门连接，第二手动阔门连接第二取样放空出口；第二取样放空出口与浑水地上水 箱连接；控制系统设置在水槽主体顶端水槽进水口侧；水槽出水口连接于水槽主体底端， 出水口切换系统位于水槽主体底部外，并与清水地下水池和浑水地下水池连接。上述技术方案中，所述水槽主体的长度为20m，宽度在15-40cm可变，坡度在0-4%可 调的变宽、变坡度的玻璃水槽。上述技术方案中，所述水槽主体底部的支架为可调节的伸縮支架，所述千斤顶为气 压千斤顶。上述技术方案中，所述进水系统中在第二流量计和第二手动阀门与第二取样放空出 口之间设有循环冲洗出口。上述技术方案中，所述水槽主体的钢架结构上沿程设置有取样孔，水槽主体的玻璃 壁面便于观察。上述技术方案中，所述进水系统中的电磁阀门组由五个相同电磁阀组成。 上述技术方案中，所述五个电磁阀分别对应两列五层分层的不同进水口，通过控制两列五层分层进水口的电磁阀，进水系统可以实现全断面进水或独立分层进水。上述技术方案中，所述两列五层分层进水口是每一列为五个进水口，每一层为二个进水口。上述技术方案中，所述浑水地下水池的容积小于清水地下水池容积，浑水地下水池 可以进行泥沙、盐水、示踪剂或污染物的投放，浑水地下水池进行循环冲洗，可保证泥 沙及污染物混合均匀。上述技术方案中，所述水槽出水口切换系统包括可滑动水箱、滑轨及滤网构成的箱 体结构，其与水槽主体底端相连接的为一高度可调的伸縮式连通排放管，通过滑动水箱 进行不同循环系统间的切换。本专利技术所述水槽控制系统集成了清水水泵和浑水水泵开关，进水系统中二十个电磁 阀控制开关，其中，清水系统十个、浑水系统十个，两个取样放空出口电磁阀开关以及 气压千斤顶开关，并对它们进行开或关的控制。本专利技术所述浑水地下水池内可以加装加热设备来模拟温差异重流运动。本专利技术所述清水地下水池中清水由第一水泵从清水地下水池送到清水地上水箱中， 当水量超过水箱的容积时，清水自动溢流回地下清水池中；所述浑水地下水池中浑水由 第二水泵从浑水地下水池送至浑水地上水箱中，同时浑水地上水箱中浑水通过管道经循 环冲洗出口排回地下浑水池，以保证试验过程中浑水始终处于循环过程。本专利技术多相流试验水槽系统在试验中水体分别通过清水循环系统及浑水循环系统 流出，由水槽控制系统控制的进水系统进入水槽主体，而后通过出水口切换系统流出并 回到清水循环系统和浑水循环系统。本专利技术多相流水槽试验系统可以满足对于异重流及其他液-液、液-固多相流的试验 研究，包括水温异重流、高浓度盐水多相流及耦合多种性质流体运动的环境水污染相关 研究。本专利技术多相流试验水槽系统还能配合粒子成像测速仪(PIV)、激光测速仪(LDV)、 声学多普勒测速仪(ADV)及数码成像设备构成先进的量测系统，同时水槽主体顶端设 置有可滑动仪器架，供测量过程中所需用的仪器放置。本专利技术多相流试验水槽系统的建立，能更深入地研究多相流问题和进行水环境机理 性研究，该多相流试验水槽系统的实施具有重要的科学应用价值和现实的研究意义。 本专利技术与现有技术相比具有以下的优点及积极效果1. 本专利技术水槽主体采用钢架结构玻璃，提供了稳定水槽主体结构和水槽内稳定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多相流试验水槽系统，其特征在于包括水槽主体（１６），清水循环系统（３３），浑水循环系统（３４），进水系统，控制系统（１４）及出水口切换系统（１９）六大部分；其中，水槽主体底部设置有支架（２８）和千斤顶（１７），主体用支撑铰链（２９）固定于地面；进水系统由第一取样放空出口（８）和第二取样放空出口（９）、第一手动阀门（１０）和第二手动阀门（１１）、第一流量计（１２）和第二流量计（１３）及电磁阀门组（１５）组成，进水系统中电磁阀门组与水槽主体顶端连接；清水循环系统包括清水地下水池（１）和清水地上水箱（３），清水地下水池通过第一水泵（５）与清水地上水箱连接；浑水循环系统包括浑水地下水池（２）和浑水地上水箱（４），浑水地下水池通过第二水泵（６）与浑水地上水箱连接；进水系统中连接电磁阀门组的第一流量计另一端与第一手动阀门连接，第一手动阀门连接第一取样放空出口，第一取样放空出口再与清水地上水箱连接；连接电磁阀门组的第二流量计另一端与第二手动阀门连接，第二手动阀门连接第二取样放空出口，第二取样放空出口再与浑水地上水箱连接；控制系统设置在水槽主体顶端水槽进水口（２４）侧；水槽出水口（２５）连接于水槽主体底端，出水口切换系统设置在水槽主体出水口外部，并与清水地下水池和浑水地下水池通过供水管（２０）连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李嘉，易文敏，李克锋，李然，邓云，安瑞冬，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]