專利名稱：用于模擬復雜分層流動水體的裝置及模擬方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及淺水湖泊和河流系統(tǒng)水體流動形態(tài)的重構(gòu)，特別是在水槽中構(gòu)建具有復雜分層流動水體水流形態(tài)的裝置及方法，屬于水利及水環(huán)境科學領域。
背景技術(shù)：
在自然的河流與湖泊中，水流通過對泥沙長期地侵蝕、搬運和堆積，創(chuàng)建了多樣性的河槽，諸如淺灘、深潭、交匯、收窄或變寬等多種形態(tài)，使得自然水體的流速和流態(tài)非常復雜。同時，人類也在不斷的對河流湖泊進行著改造，包括筑壩、筑堤、裁彎取直、人造護坡、人工植被等，這些改造也使得自然河流發(fā)生類似形態(tài)直線化、河道橫斷面幾何規(guī)則化、河床和邊坡材料硬質(zhì)化等變化。多樣化的河槽形態(tài)特征使得水流在縱橫斷面及水深方向上的流速分布通常是不均勻，因此基于不同河槽特征的水體水流形態(tài)研究和模擬非常困難。其次，河床泥沙顆粒度、巖石形態(tài)、水生植物分布、水面風速等對水體水流速度分布也有較大的影響，在相同的研究水域中，不同季節(jié)、不同氣候條件下水流形態(tài)也有較大的變化，更增加了相關研究的難度。此外，河流及湖泊沿岸的工業(yè)、農(nóng)業(yè)及城市生活污水排入水體造成不同密度的分層流，熱、核電廠廢熱排放產(chǎn)生的熱分層流等，均使得局部水域的水流形態(tài)更為復雜，對水流真實流態(tài)的模擬更為困難。然而，這些區(qū)域往往又是水利工程及水環(huán)境領域研究的重點區(qū)域。因此，研發(fā)適用于模擬天然水體復雜水流的方法具有重要的應用價值。當前，試驗水槽仍是水動力、水環(huán)境及水利工程科學研究領域的重要工具。如何在試驗水槽中構(gòu)建與目標水體相似的水流環(huán)境是后續(xù)研究工作開展的重要基礎。目前通常使用的動水試驗水槽主要有水流量控制型和外部擾動型兩種，水流量控制型水槽主要通過調(diào)節(jié)水泵流率、尾門開啟度等來控制水槽中水流速度，這種水槽結(jié)構(gòu)簡單，但對水流形態(tài)控制能力差，每個工況只能實現(xiàn)對一種流速的近似模擬，無法模擬具有復雜流動特點的目標水體。外部擾動型水槽主要是通過在水槽水體邊界上施加人工擾動，如采用旋漿式、活塞式、振蕩式、吹風式外力激勵水槽內(nèi)水體的方法，這些方法所構(gòu)建的水流形態(tài)只模擬了自然水體水流形態(tài)的某一種特點，與真實的水體流態(tài)仍有較大的差別，這就在很大程度上影響了試驗研究的準確度和精度。自然界的水體水流形態(tài)是多變的，針對多種多樣的水體流速形態(tài)建立不同的水槽顯然是不合適的，甚至很難做到。因此在單一水槽中柔性的構(gòu)建各種自然水體中的水流形態(tài)，實現(xiàn)對復雜水流的模擬，將對水利工程和水環(huán)境科學研究具有非常大的價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于模擬復雜分層流動水體的裝置，可以在單一水槽中柔性的構(gòu)建各種自然水體中的水流形態(tài)，實現(xiàn)對復雜水流的模擬。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種用于模擬復雜分層流動水體的裝置，包括多路循環(huán)水槽和多路流率閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述多路循環(huán)水槽包括方形水槽，在方形水槽一內(nèi)側(cè)面設置有多個進水模塊組，在方形水槽內(nèi)進水模塊組相對一側(cè)面設置有多個出水模塊組；所述多路流率閉環(huán)控制系統(tǒng)包括用于控制進水模塊組進水的進水模塊流率控制系統(tǒng)和用于控制出水模塊組出水的出水模塊流率控制系統(tǒng)，蓄水池內(nèi)的水依次通過進水泵、進水模塊流率控制系統(tǒng)打入進水模塊組，出水模塊組的出水經(jīng)過出水模塊流率控制系統(tǒng)、真空抽水泵進入蓄水池。
前述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于所述進水模塊組或出水模塊組包括中空的基座，基座上設置有一個引出接口和多個水口。前述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于多個進水模塊組或出水模塊組平行設置。前述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于所述進水模塊流率控制系統(tǒng)包括計算機，計算機與伺服運動控制器相連，伺服運動控制器與多路伺服控制器相連，多路伺服控制器與多個進水伺服電機相連，進水伺服電機通過進水流量控制閥接入進水模塊組。前述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于所述出水模塊流率控制系統(tǒng)包括計算機，計算機與伺服運動控制器相連，伺服運動控制器與多路伺服控制器相連，多路伺服控制器與多個出水伺服電機相連，出水伺服電機通過出水流量控制閥接入出水模塊組。前述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于還包括超聲多普勒測速儀，超聲多普勒測速儀與計算機相連。前述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于還包括液位傳感器，計算機通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器與液位傳感器相連。前述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于還包括溢流閥，溢流閥的進口端連接進水泵的出口，溢流閥的出口端連接至蓄水池。前述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置的模擬方法，其特征在于，包括以下步驟
1)伺服控制系統(tǒng)初始化，超聲多普勒測速儀及液位傳感器初始化，開啟進水泵及真空抽水泵，開啟進水流量控制閥，關閉出水流量控制閥，水位上升至高水位限定線與低水位限定線之間時，關閉進水流量控制閥；
2)根據(jù)實際水體的分層水流形態(tài)，預設幾個關鍵點水流速度及各層進水流量控制閥和出水流量控制閥的導通率，由計算機控制進水伺服電機和出水伺服電機按預設值開啟進水流量閥和出水流量控制閥；
3)將超聲多普勒測速儀的測量頭移動至關鍵點位置，水流速度信息自動反饋到計算機，微機伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)相應層進出水口流率，使得實際速度之差在誤差范圍內(nèi)，并反復進行所有關鍵點位置的標定過程，直至所有關鍵點位置的流速差均在誤差范圍內(nèi)，此時水槽中的水流形態(tài)已構(gòu)建完成，可以開展后續(xù)研究；
4)完成實驗后，關閉進水模塊及進水泵，出水模塊全部開啟，待排空水槽中的水后關閉出水模塊，關閉伺服控制系統(tǒng)及相關設備。本發(fā)明的工作原理為了克服目前在水利和水環(huán)境科學研究中，試驗水槽水流形態(tài)與實際研究水域相差較大，尤其是無法根據(jù)研究區(qū)域、河槽形態(tài)、動植物分布和風速變化條件下隨時調(diào)整重構(gòu)水流形態(tài)的問題，本發(fā)明提出了一種柔性構(gòu)建復雜分層水流形態(tài)的方法。其中柔性構(gòu)建的關鍵問題是如何使得水槽的進水側(cè)和出水側(cè)在深度方向上的水流速度分布可控。因此，本發(fā)明核心技術(shù)是采用多入口、多出口的水循環(huán)方式，進水口和出水口按層狀陣列式相對排列，進水口和出水口流率可以無級調(diào)節(jié)。通過水槽各層進水口和出水口流率的組合，可以在一個水槽中模擬出多種復雜分層流動水流形態(tài)，滿足后續(xù)研究需要。本發(fā)明中，單個進出水模塊上水平開設了多個管狀水口，每一個進出水模塊均由流量控制閥控制其進出水流率，且都受控于微機伺服系統(tǒng)，均為單獨的進出水流率調(diào)節(jié)單元。水槽的進水側(cè)和出水側(cè)均垂直安裝了多組這樣的流率控制單元，在微機控制下對水槽不同深度層進行流速調(diào)節(jié)。同時在水槽中部安裝有超聲多普勒測速儀進行實時流速采集，可實時的將不同深度水流速度信息反饋給微機，在微機控制下自動調(diào)節(jié)各層進出水模塊的進出水流率，從而很好地構(gòu)建目標水域的水流狀態(tài)。本發(fā)明所達到的有益效果
I)本發(fā)明的方法能夠在同一水槽中模擬出各種具有復雜分層流動水流形態(tài)的水體。2)水槽流場采用多路閉環(huán)控制，重構(gòu)流場與實際流場近似度高。3)每次重構(gòu)的流場控制參數(shù)組合可保存在計算機中，調(diào)用同一組控制參數(shù)可方便的重現(xiàn)預定流場，重復精度高。4)基于不同的研究目的，水槽中可放置如底泥、水生植物、動物、船只模型等研究對象，可廣泛適用于水利和水環(huán)境科學研究等相關領域。


附圖I是水槽外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意 附圖2是進出水模塊立體示意 附圖3是水槽俯視 附圖4是水槽“A-A”截面視 附圖5是水槽“B-B”截面視 附圖6是水槽控制系統(tǒng)原理圖。附圖中各標號的意義為
I.水槽；2.水位限定線；3.引出接口 ； 4.水口 ； 5.基座；6.多路伺服控制器；7.伺服運動控制器；8.計算機；9.超聲多普勒測速儀；10.模數(shù)轉(zhuǎn)換器；11.液位傳感器；12.出水伺服電機；13.出水流量控制閥；14.真空抽水泵；15.蓄水池；16.溢流閥；17.進水泵；18.進水流量控制閥；19.進水伺服電機。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的實施情況，但它們并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定，僅舉例而已。圖I為水槽的外形圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，水槽I為上部開口長方體容器，采用鋼化玻璃或有機玻璃制成，方便對內(nèi)部水流或研究目標進行觀測。為防止使用過程中因水面波動而使水溢出，水槽水位限定線2低于水槽頂部l(Tl5Cm。圖2為進出水模塊結(jié)構(gòu)圖，由引出接口 3、水口 4和基座5組成，采用銅合金或有機玻璃制成，基座5為空心長方塊，分別與引出接頭3和水口 4連通。進水側(cè)的引出接口 3與進水流量控制閥18連接，可將水引入基座5、且通過水口 4噴出，出水側(cè)的引出接口 3與出水流量控制閥13連接，把由水口 4吸入基座5的水導出?；?的長度和水口的數(shù)量均由水槽的寬度決定，水口 4中心距不大于6cm。進出水模塊分別安裝在水槽內(nèi)的進水側(cè)和出水側(cè)(圖3)，平行于水槽底面安裝(圖4、圖5)，可采用螺釘或玻璃膠固定在水槽內(nèi)側(cè)壁上，安裝時水口中心垂直間距不大于8cm，且在水槽對應位置開孔，使得每個引出接口 3伸出水槽外，并用玻璃膠密封。進出水模塊的垂直安裝數(shù)量由水槽高度決定，最上方進出水模塊水口中心低于水面5 8cm，最下方進出水模塊水口中心高于水槽底面5 8cm。
圖6為水槽控制系統(tǒng)原理圖，進水泵17將蓄水池15中的水增壓后輸送到水槽進水側(cè)，水泵出水口裝有溢流閥16，當水泵17出水壓力高于設定壓力時，溢流閥16開啟溢流泄壓，進水經(jīng)過流量控制閥18調(diào)節(jié)流率和壓力后由進水模塊的各個水口 4噴出。在出水側(cè)，真空抽水泵14在出水管路里產(chǎn)生負壓，水槽I里的水經(jīng)由出水模塊上的各個水口 4吸出，經(jīng)過流量控制閥13調(diào)節(jié)每層出水模塊的出水流率，吸出的水均匯聚到蓄水池15中，從而形成水循環(huán)系統(tǒng)。所有流量控制閥(13、18)均由伺服電機(12、19)控制其實時導通率。在水槽I中安裝有可移動式超聲多普勒流速儀9，用于測定水槽中關鍵點的流速，并實時的將流速信息傳遞給計算機8，通過比較多個關鍵點的設定與實際流速差，計算機8控制伺服運動控制器7發(fā)出增大或減小各層進出水口流率的指令，由多路伺服控制器6驅(qū)動對應層的伺服電機，調(diào)整對應層流量控制閥的導通率，從而實現(xiàn)水槽流場自動閉環(huán)控制。在流量控制中，每個進水模塊和出水模塊流率必須成對調(diào)節(jié)，使得水槽的進出水流量保持平衡。同時，在水槽中設置液位傳感器11，用于探測水槽運行過程中水位是否到達最高限位或最低限位2，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器10將水位信號傳遞給計算機8，及時調(diào)節(jié)進出水側(cè)的水流率，從而維持水槽水位保持穩(wěn)定。本發(fā)明用于模擬復雜分層流動水體的裝置的模擬方法，包括以下步驟
I)伺服控制系統(tǒng)初始化，超聲多普勒測速儀9及液位傳感器11初始化，開啟水泵17及真空抽水泵14，開啟進水模塊，關閉出水模塊，水位上升至高低水位限定線2之間時，關閉進水模塊。2)根據(jù)實際水體的分層水流形態(tài)，預設幾個關鍵點水流速度及各層進出水流量控制閥(18、13)的導通率，由計算機8控制伺服電機(19、12)按預設值開啟進出水流量閥(18、13)。3)將超聲多普勒測速儀9的測量頭移動至關鍵點位置，水流速度信息自動反饋到計算機8，微機伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)相應層進出水口流率，使得實際速度之差在誤差范圍內(nèi)，并反復進行所有關鍵點位置的標定過程，直至所有關鍵點位置的流速差均在誤差范圍內(nèi)，此時水槽中的水流形態(tài)已構(gòu)建完成，可以開展后續(xù)研究。4)完成實驗后，關閉進水模塊及進水泵，出水模塊全部開啟，待排空水槽中的水后關閉出水模塊，關閉伺服控制系統(tǒng)及相關設備。以上已以較佳實施例公開了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采用等同替換或者等效變換方式所獲得的技術(shù)方案，均落在發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于模擬復雜分層流動水體的裝置，包括多路循環(huán)水槽和多路流率閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述多路循環(huán)水槽包括方形水槽(I)，在方形水槽一內(nèi)側(cè)面設置有多個進水模塊組，在方形水槽內(nèi)進水模塊組相對一側(cè)面設置有多個出水模塊組；所述多路流率閉環(huán)控制系統(tǒng)包括用于控制進水模塊組進水的進水模塊流率控制系統(tǒng)和用于控制出水模塊組出水的出水模塊流率控制系統(tǒng)，蓄水池內(nèi)的水依次通過進水泵(17)、進水模塊流率控制系統(tǒng)打入進水模塊組，出水模塊組的出水經(jīng)過出水模塊流率控制系統(tǒng)、真空抽水泵進入蓄水池。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于所述進水模塊組或出水模塊組包括中空的基座(5)，基座(5)上設置有一個引出接口(3)和多個水口⑷。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于多個進水模塊組或出水模塊組平行設置。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于所述進水模塊流率控制系統(tǒng)包括計算機(8)，計算機(8)與伺服運動控制器(7)相連，伺服運動控制器(7)與多路伺服控制器(6)相連，多路伺服控制器(6)與多個進水伺服電機相連(19)，進水伺服電機(19)通過進水流量控制閥(18)接入進水模塊組。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于所述出水模塊流率控制系統(tǒng)包括計算機(8)，計算機(8)與伺服運動控制器(7)相連，伺服運動控制器(7)與多路伺服控制器(6)相連，多路伺服控制器(6)與多個出水伺服電機(12)相連，出水伺服電機(12)通過出水流量控制閥(13)接入出水模塊組。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于還包括超聲多普勒測速儀(9)，超聲多普勒測速儀(9)與計算機(8)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于還包括液位傳感器(11)，計算機⑶通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(10)與液位傳感器(11)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置，其特征在于還包括溢流閥(16)，溢流閥(16)的進口端連接進水泵的出口，溢流閥(16)的出口端連接至蓄水池(15)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于模擬復雜分層流動水體的裝置的模擬方法，其特征在于，包括以下步驟 .1)伺服控制系統(tǒng)初始化，超聲多普勒測速儀及液位傳感器初始化，開啟進水泵及真空抽水泵，開啟進水流量控制閥，關閉出水流量控制閥，水位上升至高水位限定線與低水位限定線之間時，關閉進水流量控制閥； .2)根據(jù)實際水體的分層水流形態(tài)，預設幾個關鍵點水流速度及各層進水流量控制閥和出水流量控制閥的導通率，由計算機控制進水伺服電機和出水伺服電機按預設值開啟進水流量閥和出水流量控制閥； .3)將超聲多普勒測速儀的測量頭移動至關鍵點位置，水流速度信息自動反饋到計算機，微機伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)相應層進出水口流率，使得實際速度之差在誤差范圍內(nèi)，并反復進行所有關鍵點位置的標定過程，直至所有關鍵點位置的流速差均在誤差范圍內(nèi)，此時水槽中的水流形態(tài)已構(gòu)建完成，可以開展后續(xù)研究； .4)完成實驗后，關閉進水模塊及進水泵，出水模塊全部開啟，待排空水槽中的水后關閉出水模塊，關閉伺服控制系統(tǒng)及相關設備
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于模擬復雜分層流動水體的裝置及其模擬方法，包括多路循環(huán)水槽和多路流率閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述多路循環(huán)水槽包括方形水槽，在方形水槽一內(nèi)側(cè)面設置有多個進水模塊組，在方形水槽內(nèi)進水模塊組相對一側(cè)面設置有多個出水模塊組；所述多路流率閉環(huán)控制系統(tǒng)包括用于控制進水模塊組進水的進水模塊流率控制系統(tǒng)和用于控制出水模塊組出水的出水模塊流率控制系統(tǒng)，蓄水池內(nèi)的水依次通過進水泵、進水模塊流率控制系統(tǒng)打入進水模塊組，出水模塊組的出水經(jīng)過出水模塊流率控制系統(tǒng)、真空抽水泵進入蓄水池。本發(fā)明可以在同一水槽中構(gòu)建出多種復雜水流形態(tài)，具有適應性強，重現(xiàn)性好、重構(gòu)流場相似度高、控制方法簡單等優(yōu)點。
文檔編號G01M10/00GK102636330SQ201210132568
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者侯俊, 王沛芳, 錢進, 饒磊 申請人:河海大學常州校區(qū)