[发明专利]一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型及实验方法

权利要求书

1.一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型的实验方法，所述含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型包括用于制备和提供含沙水的进水循环系统（33），所述进水循环系统（33）和用于模拟分层型水库实验的实验水槽系统（34）相连，所述实验水槽系统（34）与出水系统（35）相连，所述进水循环系统（33）和实验水槽系统（34）上设置有温度监测装置和流场监测装置；

所述进水循环系统（33）包括含沙水制备箱（1），所述含沙水制备箱（1）内部连通有出水管（2），所述出水管（2）上依次安装有离心泵（3）和流量计（4），所述离心泵（3）和流量计（4）之间的管路上通过三通管连接有第一循环管（6），所述第一循环管（6）上安装有第一阀门（5）；所述含沙水制备箱（1）的内部安装有两个双层螺旋杆搅拌器；

所述实验水槽系统（34）包括进水箱（9），所述进水箱（9）的顶部设置有进水管（8），所述进水管（8）与进水循环系统（33）的出水管（2）末端相连，所述进水管（8）上安装有第二阀门（7），所述进水箱（9）的顶部出水口设置有进水挡板（13），所述出水口与模型水槽相连，所述模型水槽的尾部通过三个高度不同的第一出水管（25）、第二出水管（26）和第三出水管（27）与出水系统（35）的出水箱（28）相连，且在每个出水管上都各自安装有出口阀门；

所述模型水槽依次设置有平坡进口段（10）、斜坡段（11）和平坡段（12）；所述模型水槽为敞口水槽，水面与空气接触，所述温度监测装置布置在斜坡段（11）和平坡段（12）上；

所述温度监测装置包括装置固定夹、自记式温度记录仪、温度探头和垂向位置固定板；所述垂向位置固定板上钻取有间距的孔洞，所述孔洞内部固定安装温度探头，所述温度探头与自记式温度记录仪相连；

所述流场监测装置包括激光器（37）和高速相机（36），所述激光器（37）布置在模型水槽的出水口端，从出水口向进水口方向进光，所述高速相机（36）布置在模型水槽的侧面；

其特征在于，所述实验方法：

在室内通过控制入流含沙水的含沙量、水温和环境水体的初始垂向水温分布的实验进行含沙水流对水库垂向水温的影响程度研究，通过室内物理模型实验结果揭示泥沙和水温的相互耦合作用机理，以及入流水温、含沙量对库区水温影响程度；包括以下步骤：

步骤一，在含沙水制备箱（1）和模型水槽中装好水，按照工况设置流量参数调好进口闸阀和出口闸阀的开度，整个循环系统稳定运行5~10min后关闭离心泵（3）电源，以保证闸阀开度合适，进出口水流稳定，模型水槽中水面平稳；

步骤二，采用电热棒将含沙水制备箱（1）中的水加热到预定水温，用自记式温度记录仪监测水温，将细颗粒的石英沙作为模型沙模拟天然洪水中的悬沙，根据工况设置称取石英砂配制成相应含沙量的含沙水体，充分搅拌均匀，以保证均匀含沙量的水流进入试验水槽，以此模拟天然河流入流的含沙水；

步骤三，将电热棒固定在预定初始温度分层结构的温跃层高度，通电对模型水槽内水体进行加热，用垂向温度监测装置监测初始温度场情况，待水面温度达到预定温度时停止加热，取走电热棒；

步骤四，用进水挡板（13）隔断模型水槽内平坡进口段（10）和平坡段（12）的水体，放空平坡进口段（10）的水后关闭回水阀，开启离心泵（3）抽取预定温度的含沙水进入平坡进口段（10），多余的水溢流进入溢流箱（14），准备工作结束后，取走进水挡板（13），开启出口阀门到预定开度，开始实验；

步骤五，实验过程中记录含沙水流形成的异重流前锋到预定位置时的到达时间、同步的垂向温度记录仪的温度读数、含沙水的入流水温、模型水槽出口水温；

步骤六，流场监测装置的激光器（37）布置在模型水槽的出水口端，从出水口向进水口方向进光，高速相机（36）布置在模型水槽的侧面，实验开始前预热PIV测量系统的激光器（37）及同步器设备，摆好高速相机（36）的位置，完成找准、对焦工作，用激光器发光，移动模型水槽中的标定尺子，使其在激光片平面内，关闭激光器，移去相机盖，试拍单张，调整好焦距和位置后，切换到采集模式，取走标定尺子；在前锋下潜时，关闭外源灯光，开始采集同步流场图片，拍摄结束后盖上相机盖；对图片进行后处理和分析；

步骤七，在实验过程结束后，关闭离心泵（3），清理实验设备，整理垂向水温和斜坡段水温的监测数据。