[发明专利]一种动水沉速试验装置及试验方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

作为本发明的优选实施例之一，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。

也作为本发明的优选实施例之一，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。

还作为本发明的优选实施例之一，所述格栅为有机玻璃格栅。

本发明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，本发明采用如下技术方案：

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；