一种折返水槽装置与多组同步试验方法

1.本发明属于水利工程领域和流体力学领域，具体而言，涉及一种折返式水槽可进行多组同步试验的方法及装置。


背景技术：

2.试验水槽是水利工程和流体力学开展研究的重要试验设备，是科技工作者用于科研的重要工具。水槽试验研究的成果质量与水槽试验方法及试验水槽的控制精度密切相关，因此试验水槽设备的控制方式和控制精度以及试验方法都在不断的改进和提高中。
3.现有试验水槽一般为平面布置，装置占地面积大。传统水槽试验方法不同组次间水流条件难以做到严格相等，可比性差，对比试验的精度低；一次实验只能得到一组参数，费时费力，试验成本高。为解决上述装置和试验方法存在的问题，本发明提出一种折返水槽装置与多组同步试验方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，为节省占地面积，显著提高水槽试验效率和对比精度，提供一种折返水槽装置与多组同步试验方法。
5.为实现上述目标，本发明技术方案如下：
6.一种折返水槽装置，包括：水池、n段水槽段、n-1段连接管段、水箱和泵；其中，n段水槽段两两之间依次通过n-1段连接管段连接使n段水槽段在垂直空间上形成折返结构；各水槽段连接处均设有一交错整流系统，交错整流系统由多个镂空隔板交错叠置而成，交错整流系统垂直于水槽底部；水箱位于折返结构的上方，且折返结构的第一段水槽段的进口与水箱的出水口相连；水池位于折返结构的下方，用于回收折返结构流出的水；泵用于将水池中的水循环输送至水箱中。
7.本发明装置水槽在垂直空间上折返，占地面积为非折返水槽的n为折返次数；相邻折返段的两端矩形管内设置整流系统，共n-1个整流系统，保证上下试验段的水流平稳过渡；每个折返段设置调坡装置以适应同种流量下进行不同坡度的试验；折返水槽一次试验完成多组参数测量，同步性好；不同折返段观测不同物理量以提高试验效率和精度。
8.进一步地，还包括用于固定折返结构的两根承重柱。
9.进一步地，还包括1个或多个调坡装置，调坡装置一端设置在承重柱上，另一端用于固定水槽段，通过调节调坡装置在承重柱上的固定高度，调节水槽段的坡度。
10.进一步地，所述水槽段底部采用钢化玻璃制成，两侧采用有机玻璃制成。
11.进一步地，所述镂空隔板的材质为泡沫和/或海绵。
12.进一步地，泡沫和海绵交错叠置。水流可以从隔板的孔中通过，在保持水流平稳的同时，既能保证整流效果，又能够保证不同水体间有充分的机会交换。各管段之间设置弧形的转弯，使水流折返时能量损失尽可能小。
13.进一步地，所述镂空隔板的孔为方孔。
14.一种基于折返水槽装置的多组同步试验方法，依据实验需求调整折返水槽装置每个水槽段的坡度，控制水箱内水流入水槽段，观测每一水槽段内某些物理量及其分布，完成多组同步试验。
15.本发明的有益效果是：本发明装置往返折叠，占地面积小，大大节约了空间资源；通过调坡装置能实现缓流、急流和临界流三种流态的对比试验。本试验方法可以做到同一组次不同水槽段流量条件严格相等，测得的不同物理量之间可比性高。
附图说明
16.图1是本发明一种折返水槽正视图；
17.图2为本发明一种折返水槽侧视图；
18.图3为本发明一种镂空隔板示意图；
19.图4为本发明另一种镂空隔板示意图。
20.图中，水池1、泵2、进水管3、水箱4、阀门5、第一水槽段6、第一连接管段7、第一辅助调坡装置8、第二水槽段9、第二连接管段10、第一交错整流系统11、调坡装置12、第三水槽段13、第三连接管段14、第二辅助调坡装置15、第四水槽段16、第一承重柱17、第二承重柱18。
具体实施方式
21.下面结合附图详细说明本发明。
22.如图1-2所示，本发明的一种折返水槽装置，包括：水池1、n段水槽段、n-1段连接管段、水箱4和泵2；其中，n段水槽段两两之间依次通过n-1段连接管段连接使n段水槽段在垂直空间上形成折返结构；水槽在垂直空间上以设定间距垂直迭置，断面为矩形，如图2所示，平面占地面积小，占地面积为非折返水槽的极大地节约了试验占地面积。相邻折返段即各水槽段连接处均设有一交错整流系统，共n-1个交错整流系统，具体地，交错整流系统由多个镂空隔板叠置而成，镂空隔板上的孔可以是方孔、圆孔等，多个镂空隔板叠置使孔交错，图3、图4所示为一示例性的两块叠置的镂空隔板的结构，交错整流系统垂直于水槽底部，水流可以从隔板的孔中通过，在保持水流平稳的同时，既能保证整流效果，又能够保证不同水体间有充分的机会交换，经过交错整流系统以后上下水槽段的水流平稳过渡，水流状态(流量、水深)保持一致，从而可以实现多组同步试验；水池1位于折返结构的下方，如直接安装在地面上，用于回收折返结构流出的水。水池1中设置泵2，如变频泵等，可以不同的流量将水从水池1抽向上部水箱4，水池1与水箱4用进水管连接。水箱4位于折返结构的上方，且折返结构的第一段水槽段的进口与水箱4的出水口相连，水箱开口设置阀门5，则水流可以在重力作用下进入第一水槽段形成明渠流。图1示出为包含四段水槽段、三段连接管段的折返水槽装置，其中水体从第一水槽段6经第一连接管段7折返流向第二水槽段9时经过第一交错整流系统11，交错叠置整流系统可以将水流整理平稳，上下水体得以充分交换以使流速按照自然的形式分布。随后以相同的水流状态进入第二水槽段9，经第二连接管段10折返、第二交错整流系统整流后以相同的水流状态流向第三水槽段13，再经第三连接管段14折返、第三交错整流系统整流后以相同的水流状态流向第四水槽段16，最后流至下部水池1，经2泵从底部水池1抽水进入上部水箱4，水体从上部水箱4到下部水池1的过程是在重力作
用下自行流动完成的，水体从下部水池1到上部水箱4依靠泵抽水实现，由此实现水体循环的功能。
23.进一步地，各水槽段连接处设置弧形的转弯，使水流折返时能量损失尽可能小。另外，所述镂空隔板的材质为泡沫和/或海绵等，当采用多种材质时，不同材质也交错叠置。
24.所述水槽段底部采用钢化玻璃制成，两侧采用有机玻璃制成。原因在于：水槽段底部要承受的水压力，钢化玻璃承受的水压力更大，因此可以使水槽更牢固；侧壁使用有机玻璃，既可以将水挡牢阻止其溢出，又可以减轻水槽的自身重量。
25.作为一优选方案，折返水槽装置还包括用于固定折返结构的两根承重柱：第一承重柱17、第二承重柱18，用于固定折返结构，承受折返水槽的总体重量。如图1所示，两根承重柱分设于折返结构两侧，可以通过绳索固定等。
26.进一步地，连接管段的材质为可变形材质，如橡胶等，折返水槽装置还包括1个或多个调坡装置12，调坡装置12一端设置在承重柱上，另一端用于固定水槽段，如图1所示通过调节调坡装置12在承重柱上的固定高度，调节水槽段的坡度。使水槽坡度在设定范围内变化，适应同流量q下进行不同水槽坡度j的试验工况，n为糙率，与水槽底部粗糙度有关，j在均匀流条件下等于水力坡度，h为水深，b为水槽宽度，r为水力半径。各个折返段观测不同工况和流态下某些物理量及其分布，一次试验相当于传统方法的多组试验且同步性好，大大提高试验效率和精度。
27.其中，设有调坡装置的为可调坡度水槽段，没有设置调坡装置的为固定坡水槽段，可以根据实际需要设置。
28.如将第一水槽段6和第二水槽段9设置为可调坡度水槽段，通过调坡装置来实现。第三水槽段13和第四水槽段16的固定坡水槽段。当第三水槽段13中的水流为临界流时，抬升第二水槽段9的坡度，可使第二水槽段9的坡度大于临界坡度i，即第二水槽段9可实现急流，降低第一水槽段6的坡度将变为小于临界坡度i，即第一水槽段6可实现缓流。因此，同一组试验可以实现缓流、急流和临界流三种流态，获得三种流态的三组参数，对比性好，精度高。
29.进一步地，在可调坡度水槽段上还设置辅助调坡装置，辅助调坡装置用于在调坡装置调节坡度水槽段向上或向下伸缩时，防止水槽段与连接管段开裂，如图1中第一辅助调坡装置8和第二辅助调坡装置15所示，其材质为橡胶，可以直接通过绑缚于承重柱上实现辅助调坡。
30.本发明装置往返折叠，占地面积小，大大节约了空间资源；通过调坡装置能实现缓流、急流和临界流三种流态的对比试验。本试验方法可以做到同一组次不同水槽段流量条件严格相等，测得的不同物理量之间可比性高。
31.本发明未尽事宜为公知技术。
32.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。