渗透河床上壁面流阻动态控制装置制造方法及图纸

本技术公开了渗透河床上壁面流阻动态控制装置，包括浅水区涌浪系统、水槽模拟系统和壁面流阻动态监测系统；所述浅水区涌浪系统布置于所述水槽模拟系统上游端，与水槽模拟系统串联连接；所述壁面流阻动态监测系统安装于所述水槽模拟系统的上部和底部；所述浅水区涌浪系统根据重力塌陷原理生成在所述水槽模拟系统内传播的非恒定流；所述水槽模拟系统用以模拟浅水区涌浪在可渗透床面上的传播演化过程；所述壁面流阻动态监测系统记录非恒定流流过可渗透河床面前后的电压和位移时变曲线。本技术装置结构巧妙，整体性好，装置成本低；能有效消除流阻剪切板的固有频率振荡阻尼对壁面流阻测量的影响以及输出电压的时变脉动对壁面流阻测量的影响。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及壁面流阻动态控制技术，具体涉及渗透河床上壁面流阻动态控制装置。

技术介绍

1、浅水区涌浪等经过渗透河床时会产生显著的壁面流阻，而较高壁面流阻水平可导致局部的剧烈泥沙夹带和卷吸。因此，壁面流阻的可靠测量和动态过程的获取对于预测物质输移具有重要意义。通过瞬时速度一阶和二阶数值反推壁面流阻水平是流体动力学领域的主要研究手段。与此同时，通过使用温度膜测量传热效率来估计速度梯度，进而获取壁面流阻水平也是常用方式。但是，上述两途径都存在明显弊端。瞬时速度值测量法只能获取壁面流阻的平均值，即无法获取流阻动态变化过程；并且瞬时速度值测量法要求环境介质是同一均匀的。浅水区涌浪等流动过程由于水深极浅而呈现易夹带空气的特点，故不适宜使用该测量装置。温度膜测量需要河床壁面满足绝对光滑的条件，可渗透且起伏不定的壁面会影响热量输移效率而低估相应流阻水平。考虑到自然水体环境中河床壁面的非光滑性，以及动态壁面流阻变化过程对近岸结构物安全的重要价值，因此本技术提出渗透河床上壁面流阻动态控制装置。

技术实现思路

1、本技术针对现有渗透河床上壁面流阻测量技术的不足，提出渗透河床上壁面流阻动态控制装置。具体来说，本技术装置利用稳态校准分别获取在单空气或者单水流作用下电压输出和稳态负载的线性关系；使用跃阶标定校准得到频率滤波函数，以此来消除流阻剪切板的固有频率振荡阻尼对壁面流阻测量的影响；建立二阶系统的傅里叶响应函数来消除输出电压的时变脉动对壁面流阻测量的影响。

2、本技术采用的技术方案是：

<p>3、渗透河床上壁面流阻动态控制装置，包括浅水区涌浪系统、水槽模拟系统和壁面流阻动态监测系统；所述浅水区涌浪系统布置于所述水槽模拟系统的上游端，与所述水槽模拟系统串联连接；所述壁面流阻动态监测系统安装于所述水槽模拟系统的上部和底部；所述浅水区涌浪系统根据重力塌陷原理生成在所述水槽模拟系统内传播的非恒定流；所述水槽模拟系统用以模拟浅水区涌浪在可渗透床面上的传播演化过程；所述壁面流阻动态监测系统记录非恒定流流过可渗透河床面前后的电压和位移时变曲线。

4、进一步地，所述浅水区涌浪系统包括变截面蓄水池、刚性挡板。变截面蓄水池内储存蒸馏水，为后续生成非恒定浅水区涌浪做准备；变截面蓄水池的下部截面小于上部截面，以避免在生成非恒定浅水区涌浪时产生明显水跃；刚性挡板设置于变截面蓄水池与所述水槽模拟系统的最上游端之间以隔离变截面蓄水池和所述水槽模拟系统，且刚性挡板只能沿着垂向移动。

5、进一步地，所述水槽模拟系统包括亚克力水槽、底床渗透单元、第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪、多普勒三维测速器、固定钢架。亚克力水槽用以接收变截面蓄水池释放的蒸馏水，以形成向前传播的浅水区涌浪；底床渗透单元沿着涌浪流动方向均匀布置于亚力克水槽的底部，用以实现水槽底床壁面渗透性；从亚克力水槽上游端到下游端依次布置有第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪、多普勒三维测速器；第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪各自获取所在位置的水面高程值；多普勒三维测速器测量流场局部三维流速剖面值；第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪和多普勒三维测速器刚接在固定钢架上。待浅水区涌浪流经多普勒三维测速器所在位置，开始记录沿水深变化的流向速度值u(z)。第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪各自获取所在位置的水面高程值，第一声波测位仪和第三声波测位仪沿程的水面高程变化值除以第一声波测位仪和第三声波测位仪之间的水平距离，得到自由液面的坡度psurface。多普勒三维测速器测得的流向速度值u(z)与普朗特混合长度经验公式进行拟合，以获取底床相对渗透度rs，要求拟合相关系数不低于95％。第一声波测位仪和第三声波测位仪之间的水平距离除以第一声波测位仪和第三声波测位仪开始获取流场数据的时间间隔来计算浅水区涌浪前缘的传播速度uc，进而可以利用稳态校准分别获取在单空气或者单水流作用下电压输出和稳态负载的线性关系。

6、进一步地，所述壁面流阻动态监测系统包括流阻剪切板、应力板渗透单元、轻质位移板、不锈钢弹簧、固定板、缓冲器、轻质导杆、测距仪、导线、电压盒。流阻剪切板嵌于亚克力水槽的底床，流阻剪切板与亚克力水槽的底床等高；应力板渗透单元嵌于流阻剪切板；应力板渗透单元与底床渗透单元等高；轻质位移板固结于流阻剪切板的下端，随流阻剪切板移动而移动；不锈钢弹簧的一端固定于固定板，另一端固接于轻质位移板；轻质位移板的移动转化为不锈钢弹簧的形变量；缓冲器通过轻质导杆固结于轻质位移板；轻质位移板移动过程被缓冲器缓冲；轻质导杆和轻质位移板质量可以忽略不计，即不会为所述壁面流阻动态监测系统提供附加质量；测距仪测量和记录轻质位移板的移动过程，即位移变化信息；电压盒将测距仪记录的位移信息转化为电压信息并输出；导线连接测距仪和电压盒，以实现两者的信号同化，从而建立壁面流阻板数学模型，需要的参变量包括壁面流阻板质量m(kg)，长度a(m),宽度b(m)，不锈钢弹簧的劲度系数j(n/m)；缓冲器阻尼为g(ns/m)；浅水区涌浪开始流经壁面流阻板左侧时t＝0；壁面流阻板的局部流阻值为τb，壁面流阻板的整体流阻值f,即τb＝f/ab。进而可以使用跃阶标定校准得到频率滤波函数，以此来消除流阻剪切板的固有频率振荡阻尼对壁面流阻测量的影响。建立二阶系统的傅里叶响应函数来消除输出电压的时变脉动对壁面流阻测量的影响。

7、本技术的有益效果：

8、1、本技术装置结构巧妙，整体性好，装置成本低；

9、2、利用稳态校准分别获取在单空气或者单水流作用下电压输出和稳态负载的线性关系；

10、3、使用跃阶标定校准得到频率滤波函数，以此来消除流阻剪切板的固有频率振荡阻尼对壁面流阻测量的影响；

11、4、建立二阶系统的傅里叶响应函数来消除输出电压的时变脉动对壁面流阻测量的影响。

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【技术保护点】

1.渗透河床上壁面流阻动态控制装置，其特征在于：它包括浅水区涌浪系统、水槽模拟系统和壁面流阻动态监测系统；所述浅水区涌浪系统布置于所述水槽模拟系统的上游端，与所述水槽模拟系统串联连接；所述壁面流阻动态监测系统安装于所述水槽模拟系统的上部和底部；所述浅水区涌浪系统根据重力塌陷原理生成在所述水槽模拟系统内传播的非恒定流；所述水槽模拟系统用以模拟浅水区涌浪在可渗透床面上的传播演化过程；所述壁面流阻动态监测系统记录非恒定流流过可渗透河床面前后的电压和位移时变曲线。

2.根据权利要求1所述的渗透河床上壁面流阻动态控制装置，其特征在于：所述浅水区涌浪系统包括变截面蓄水池和只能沿着垂向移动的刚性挡板；变截面蓄水池内储存蒸馏水，变截面蓄水池的下部截面小于上部截面；刚性挡板设置于变截面蓄水池与所述水槽模拟系统的最上游端之间，以隔离变截面蓄水池和所述水槽模拟系统。

3.根据权利要求1所述的渗透河床上壁面流阻动态控制装置，其特征在于：所述水槽模拟系统包括亚克力水槽、底床渗透单元、第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪、多普勒三维测速器、固定钢架；亚克力水槽用以接收变截面蓄水池释放的蒸馏水，以形成向前传播的浅水区涌浪；底床渗透单元沿着涌浪流动方向均匀布置于亚力克水槽的底部；亚克力水槽的上游端到下游端依次布置有第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪、多普勒三维测速器；第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪各自获取所在位置的水面高程值；多普勒三维测速器测量流场局部三维流速剖面值；第一声波测位仪、第二声波测位仪、第三声波测位仪和多普勒三维测速器刚接在固定钢架上；

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【技术特征摘要】

1.渗透河床上壁面流阻动态控制装置，其特征在于：它包括浅水区涌浪系统、水槽模拟系统和壁面流阻动态监测系统；所述浅水区涌浪系统布置于所述水槽模拟系统的上游端，与所述水槽模拟系统串联连接；所述壁面流阻动态监测系统安装于所述水槽模拟系统的上部和底部；所述浅水区涌浪系统根据重力塌陷原理生成在所述水槽模拟系统内传播的非恒定流；所述水槽模拟系统用以模拟浅水区涌浪在可渗透床面上的传播演化过程；所述壁面流阻动态监测系统记录非恒定流流过可渗透河床面前后的电压和位移时变曲线。

2.根据权利要求1所述的渗透河床上壁面流阻动态控制装置，其特征在于：所述浅水区涌浪系统包括变截面蓄水池和只能沿着垂向移动的刚性挡板；变截面蓄水池内储存蒸馏水，变截面蓄水池的下部截面小于上部截面；刚性挡板设置于变截面蓄水池与所述水...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨彧，韩东睿，马海波，李博通，田传冲，王丽婷，左晓霞，王玲，戴欢，孙宗洋，严启航，
申请(专利权)人：浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，
类型：新型
国别省市：