[发明专利]一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置及操作方法

说明书

本发明公开了一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置及操作方法，属于环境流体力学领域。本发明通过可调电机驱动水槽底部的转轮产生剪切力带动槽内水流运动，实现槽内流速由底层向表层递增，符合天然河道垂向流速特性；同时，为减弱水槽的二次流及流速沿径向分布不均等特性，在水槽中设置一段直槽段，增加直线流程，使流速沿横向分布趋于均匀。本发明不仅可以用于水流、水动力特性的研究，还可应用于水质、水环境等相关机理试验。其技术优势在于：水槽固定，由底部转轮带动水流运动，更符合天然河道垂向流速特性，装置构造和控制系统简单，成本较低，试验可操作性强。

技术领域

本发明属于环境流体力学领域，更具体地说，涉及一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置及操作方法。

背景技术

近几十年来，水体沉积物研究一直是环境学科和水利学科共同关注的课题，研究外部动力扰动对沉积物的影响主要采用野外观测和室内模拟这两类方法。野外观测由于风浪、水流等条件的随机性和不可控性太强，常常产生较大的系统误差，给理论分析带来较大限制，因此一般仅用作调查和验证研究。目前开展相关基于动力学机制的理论研究常常是利用室内模拟方法，模拟的关键涉及外部动力扰动模拟与天然水体模拟两方面。其中，模拟外部动力扰动的常用方法可分为旋桨式、活塞式、振荡式、造波式和鼓风式，模拟天然水体的常用方法可分为三角瓶式、直管式和水槽式三种。

模拟外部动力扰动的方法中，旋桨式是通过旋桨在水中扰动带动水体运动进而引起沉积物悬浮，该方法受施力的局限性，会导致水体受力不均匀；活塞式是利用活塞在水中上下往复运动造成对沉积物表层的扰动从而产生悬浮，该方法的水流方向与天然水体差异较大；振荡式是通过振荡器的振荡作用使沉积物发生悬浮，其流速在垂向分布上不符合天然河道的特征；造波式是利用造波机造出的波浪扰动沉积物使其产生悬浮，与实际情况接近，但是造波装置复杂且成本较大；鼓风式难以准确调整鼓风口位置及其与水表面的夹角，也不利于实验的开展。

模拟天然水体的方法中，三角瓶式、直管式模拟天然水体显然具有相当大的局限性，不能反映出水体的流场状况，水槽式模拟可以与实际情况接近。因此，室内水槽装置是开展外部动力扰动作用下沉积物中污染物释放的发生过程与机理研究的重要设备。水槽按形状主要包括直水槽、环形水槽、折返式直水槽。其中环形水槽具有占地小、成本低的特点，并且不需要设置贮水箱和回流装置，无入流口和流出口的影响，因此环形水槽在研究水动力特性、水质、水环境相关机理中有着广泛的应用。目前已有的环形水槽多是研究湖泊风生流影响下的沉积物，如公开日为2014年5月28日的中国专利201320818449.X，驱动装置位于水体表面，装置与水体接触的部分较小，同等功率情况下形成的水流流速较小，电机功效不高。又如公开日为2017年9月29日的中国专利201710356492.1公开了一种用于环境与生态水力学流速试验模拟装置及方法，它的流速发生装置由变频器、变频电机、尼龙塑料棒、伞形齿轮组、塑料材质船用螺旋桨、卧式轴承组成，所述螺旋桨与水面平行设置，这种模拟方式会出现旋桨所在的平面流速大而其他地方较小，水流结构与天然河道存在较大差异。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有水槽装置在模拟外部动力扰动的方法、模拟天然水体的方法上所存在的缺陷，本发明提供一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置及操作方法，真实地模拟天然河道垂向流速特性，本发明的水槽装置可以模拟水体运动引起沉积物再悬浮的过程，满足流场运动-沉积物释放或再悬浮之间定量关系的研究需求，具有构造简单、造价便宜、使用方便的优点。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于模拟明渠水动力特征的水槽装置，包括水槽、水流推进动力装置和底座，所述水槽为环形跑道状，所述水流推进动力装置包括底箱和转轮，所述底箱为顶部具有开口的容器，其顶部与水槽的底部相连；所述转轮包括转轴以及沿着所述转轴的中心轴线延伸且均匀地设置在所述转轴的圆周表面上的多个转轮板，所述转轴与所述水槽的底部位于同一平面，所述底座用于保持所述环形水槽装置的平衡。