[发明专利]用于模拟复杂分层流动水体的装置及模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及浅水湖泊和河流系统水体流动形态的重构，特别是在水槽中构建具有复杂分层流动水体水流形态的装置及方法，属于水利及水环境科学领域。

背景技术

在自然的河流与湖泊中，水流通过对泥沙长期地侵蚀、搬运和堆积，创建了多样性的河槽，诸如浅滩、深潭、交汇、收窄或变宽等多种形态，使得自然水体的流速和流态非常复杂。同时，人类也在不断的对河流湖泊进行着改造，包括筑坝、筑堤、裁弯取直、人造护坡、人工植被等，这些改造也使得自然河流发生类似形态直线化、河道横断面几何规则化、河床和边坡材料硬质化等变化。多样化的河槽形态特征使得水流在纵横断面及水深方向上的流速分布通常是不均匀，因此基于不同河槽特征的水体水流形态研究和模拟非常困难。其次，河床泥沙颗粒度、岩石形态、水生植物分布、水面风速等对水体水流速度分布也有较大的影响，在相同的研究水域中，不同季节、不同气候条件下水流形态也有较大的变化，更增加了相关研究的难度。此外，河流及湖泊沿岸的工业、农业及城市生活污水排入水体造成不同密度的分层流，热、核电厂废热排放产生的热分层流等，均使得局部水域的水流形态更为复杂，对水流真实流态的模拟更为困难。然而，这些区域往往又是水利工程及水环境领域研究的重点区域。因此，研发适用于模拟天然水体复杂水流的方法具有重要的应用价值。

当前，试验水槽仍是水动力、水环境及水利工程科学研究领域的重要工具。如何在试验水槽中构建与目标水体相似的水流环境是后续研究工作开展的重要基础。目前通常使用的动水试验水槽主要有水流量控制型和外部扰动型两种，水流量控制型水槽主要通过调节水泵流率、尾门开启度等来控制水槽中水流速度，这种水槽结构简单，但对水流形态控制能力差，每个工况只能实现对一种流速的近似模拟，无法模拟具有复杂流动特点的目标水体。外部扰动型水槽主要是通过在水槽水体边界上施加人工扰动，如采用旋浆式、活塞式、振荡式、吹风式外力激励水槽内水体的方法，这些方法所构建的水流形态只模拟了自然水体水流形态的某一种特点，与真实的水体流态仍有较大的差别，这就在很大程度上影响了试验研究的准确度和精度。

自然界的水体水流形态是多变的，针对多种多样的水体流速形态建立不同的水槽显然是不合适的，甚至很难做到。因此在单一水槽中柔性的构建各种自然水体中的水流形态，实现对复杂水流的模拟，将对水利工程和水环境科学研究具有非常大的价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于模拟复杂分层流动水体的装置，可以在单一水槽中柔性的构建各种自然水体中的水流形态，实现对复杂水流的模拟。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于模拟复杂分层流动水体的装置，包括多路循环水槽和多路流率闭环控制系统，所述多路循环水槽包括方形水槽，在方形水槽一内侧面设置有多个进水模块组，在方形水槽内进水模块组相对一侧面设置有多个出水模块组；所述多路流率闭环控制系统包括用于控制进水模块组进水的进水模块流率控制系统和用于控制出水模块组出水的出水模块流率控制系统，蓄水池内的水依次通过进水泵、进水模块流率控制系统打入进水模块组，出水模块组的出水经过出水模块流率控制系统、真空抽水泵进入蓄水池。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述进水模块组或出水模块组包括中空的基座，基座上设置有一个引出接口和多个水口。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：多个进水模块组或出水模块组平行设置。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述进水模块流率控制系统包括计算机，计算机与伺服运动控制器相连，伺服运动控制器与多路伺服控制器相连，多路伺服控制器与多个进水伺服电机相连，进水伺服电机通过进水流量控制阀接入进水模块组。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：所述出水模块流率控制系统包括计算机，计算机与伺服运动控制器相连，伺服运动控制器与多路伺服控制器相连，多路伺服控制器与多个出水伺服电机相连，出水伺服电机通过出水流量控制阀接入出水模块组。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括超声多普勒测速仪，超声多普勒测速仪与计算机相连。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括液位传感器，计算机通过模数转换器与液位传感器相连。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置，其特征在于：还包括溢流阀，溢流阀的进口端连接进水泵的出口，溢流阀的出口端连接至蓄水池。

前述的用于模拟复杂分层流动水体的装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：