專利名稱：一種冰水耦合綜合仿真平臺(tái)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冰水耦合綜合仿真平臺(tái)和方法，是一種模仿冰和水流動(dòng)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是一種集水工、自動(dòng)控制、機(jī)電一體化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
封凍季節(jié)前后河流和水渠中會(huì)產(chǎn)生大量的浮冰，浮冰在河道中運(yùn)動(dòng)和堆積使河道變窄，甚至堆積為冰塞，形成冰塞險(xiǎn)情。因此，研究冰塞的發(fā)生、演變，冰蓋下的冰塊運(yùn)動(dòng)等河冰水力學(xué)熱點(diǎn)問題十分必要。對于輸水渠道中的倒虹吸，浮冰同樣會(huì)產(chǎn)生種種影響。為預(yù)防和消除浮冰對倒虹吸的影響，需要獲得冰塊在倒虹吸前堆積、倒虹吸前冰蓋、冰塞形成 等相關(guān)機(jī)理和水力參數(shù)，確定倒虹吸前冰蓋平鋪上溯發(fā)展、倒虹吸前冰塞堆積時(shí)各相關(guān)水力條件間的關(guān)系，對其進(jìn)行研究，以找到解決的方案。研究上述問題，僅僅依靠在真實(shí)河道或水渠中的數(shù)據(jù)積累和計(jì)算機(jī)模擬是不夠的，需要通過真冰條件下的，按比例縮小的模型試驗(yàn)，對各種條件變化的模擬，才能獲取真正有效的參數(shù)。為了研究倒虹吸和彎曲水道的冰期輸水能力，需要建立帶有倒虹吸和彎槽的模擬水槽，研究彎槽段冰塞堆積演變過程，冰蓋形成過程對河床沖刷的影響，冰蓋形成過程中的水位變化，以及其它一些河冰水力學(xué)熱點(diǎn)問題。傳統(tǒng)的浮冰實(shí)驗(yàn)由于沒有專門的實(shí)驗(yàn)設(shè)施，只能利用一些簡單的工具和借用已有的實(shí)驗(yàn)渠道，使用人工倒入水流中浮冰的方式進(jìn)行的。這種方式不但效率低下，而且準(zhǔn)確度低。由于各種實(shí)驗(yàn)需要反復(fù)進(jìn)行，大量的重復(fù)勞動(dòng)，不但使人疲倦，精度下降，也使實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)行緩慢，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。特別是進(jìn)行某個(gè)應(yīng)急實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于在緊急情況下，不能按時(shí)得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，而耽誤了最佳處理時(shí)間，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種冰水耦合綜合仿真平臺(tái)和冰水耦合綜合仿真方法，建立可以靈活組合的實(shí)驗(yàn)水槽，所述的實(shí)驗(yàn)水槽可以帶有彎槽和倒虹吸，以及水閘等各種水工和河道、水渠的模擬設(shè)施。使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對水流、浮冰的流量、流速進(jìn)行控制，靈活、快速的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件的各種變換。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種冰水耦合綜合仿真平臺(tái)，包括源水箱和回水箱，所述的源水箱和回水箱之間設(shè)有水量供給裝置，多個(gè)直槽段，還包括U字形槽段、帶有自動(dòng)加冰機(jī)的加冰槽段、出口帶有電控倒虹吸閘門和倒虹吸出口水位傳感器的倒虹吸管；所述的源水箱依次與加冰槽段、兩到三個(gè)帶有多個(gè)水位傳感器的直槽段、倒虹吸管、一個(gè)直槽段、U字形槽段、多個(gè)直槽段、回水箱可拆卸的連接形成水槽，與回水箱連接的直槽段上設(shè)有帶有水位傳感器的電控尾門；所述的水量供給裝置、自動(dòng)加冰機(jī)、電控倒虹吸閘門、電控尾門、各個(gè)水位傳感器與控制器電連接。一種使用上述仿真平臺(tái)的冰水耦合綜合仿真方法，所述方法的步驟如下
流量控制的步驟用于開啟水量供給裝置，根據(jù)流量計(jì)提供反饋信號(hào)調(diào)節(jié)水泵的供給量，使水槽中的水流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的初始目標(biāo)流量；
水位控制的步驟用于根據(jù)電控調(diào)節(jié)尾門處設(shè)置的水位傳感器提供反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)電控調(diào)節(jié)尾門，使模擬水槽中的水位達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定的初始目標(biāo)水位；
加冰的步驟用于通過自動(dòng)加冰機(jī)向模擬水槽中輸入冰塊，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定改變加冰
量;
監(jiān)測水位變化的步驟用于通過自動(dòng)加冰機(jī)與倒虹吸之間的直槽段上設(shè)置的水位傳感器，采集水位數(shù)據(jù)，測量倒虹吸進(jìn)口前冰塊數(shù)量變化所引起的水位變化；
記錄的步驟用于對實(shí)驗(yàn)過程中的流量、水位、加冰量的數(shù)據(jù)，以及冰塊堆積、輸移的過程進(jìn)行記錄；
改變初始目標(biāo)流量或初始目標(biāo)水位，反復(fù)進(jìn)行加冰的步驟、監(jiān)測水位變化的步驟、記錄的步驟。本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是本發(fā)明采用的具有可調(diào)整一定流量的水槽和倒虹吸、自動(dòng)加冰機(jī)，電控尾門等設(shè)置，建立一個(gè)可以模擬冰塊流動(dòng)的仿真平臺(tái)。自動(dòng)加冰機(jī)通過控制器的控制和調(diào)整，可以精確的記錄和控制加冰量，水量和水位通過控制器都可以進(jìn)行精確的記錄和控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化的監(jiān)測和控制。本發(fā)明的應(yīng)用大大減少了冰水耦合實(shí)驗(yàn)的手工操作，增加了實(shí)驗(yàn)的精確度，更重要的是加快了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程和速度，這一點(diǎn)對于應(yīng)急研究有著特殊的意義，在特殊的環(huán)境下可以挽回人民生命財(cái)產(chǎn)的損失，甚至挽救生命。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖I是本發(fā)明的實(shí)施例一所述仿真平臺(tái)的平面示意 圖2是本發(fā)明的實(shí)施例一所述仿真平臺(tái)控制界面示意 圖3是本發(fā)明的實(shí)施例三所述的自動(dòng)加冰機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖I中A-A剖面圖； 圖4是本發(fā)明的實(shí)施例五所述的定量輸送帶結(jié)構(gòu)示意圖，是圖3中D點(diǎn)的放大 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例六所述的檔冰器的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖3中E-E向視 圖6是本發(fā)明的實(shí)施例七所述倒虹吸管的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖I中B向視圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一
本實(shí)施例是一種冰水耦合綜合仿真平臺(tái)，其平面圖如圖I所示。本實(shí)施例包括源水箱9和回水箱1，所述的原水箱和回水箱之間設(shè)有水量供給裝置10，多個(gè)直槽段3、U字形槽段4、帶有自動(dòng)加冰機(jī)的加冰槽段8、出口帶有電控倒虹吸閘門5和水位傳感器的倒虹吸管6 ；所述的源水箱依次與加冰槽段、兩到三個(gè)帶有多個(gè)水位傳感器7的直槽段、倒虹吸管、一個(gè)直槽段、U字形槽段、多個(gè)直槽段、回水箱可拆卸連接形成水槽，與回水箱連接的直槽段上設(shè)有水位傳感器和電控尾門2 ;所述的水量供給裝置、自動(dòng)加冰機(jī)、電控倒虹吸閘門、電控尾門、各個(gè)水位傳感器與控制器電連接。本實(shí)施例所述的源水箱采用組裝式設(shè)計(jì)，可以使用玻璃鋼板或金屬板通過螺栓連接，其拆卸方便、組裝迅速。箱中布置花墻等穩(wěn)水裝置，防止水位的大幅波動(dòng)，同時(shí)考慮到水泵引起的水流紊動(dòng)，因此建議水槽進(jìn)口水箱的尺寸為3m*2m*2m(長*寬*高)。在水槽進(jìn)口水箱底部設(shè)置排水管，用于實(shí)驗(yàn)完成后排空水槽中的積水。本實(shí)施例所述的回水箱主要用于存放水槽循環(huán)所需水量，回水槽采用組裝式設(shè)計(jì)，螺栓連接，其拆卸方便、組裝迅速。為了防止回水箱中的水位過高和過低，在回水箱上設(shè)置排水閥，當(dāng)回水箱中的水位過高時(shí)，通過排水閥排出多于水量；當(dāng)回水箱中水量不足時(shí)，可用水泵從外水源補(bǔ)水。所述的水量供給裝置，連接在源水箱和回水箱之間，通過管路和水泵將回水箱中的水抽到源水箱中，抬高源水箱中的水位，使水流通過重力自然流經(jīng)水槽回到回水箱。管路中設(shè)置流量計(jì)，通過流量計(jì)對流經(jīng)管路中水流的流量進(jìn)行檢監(jiān)測，控制器調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，可以對流量精確控制?？梢允褂靡慌_(tái)大型的變頻水泵，精確控制流量。但大型變頻水泵和大功率的變頻器價(jià)格昂貴。為此，本實(shí)施例可以采取一種經(jīng)濟(jì)的供水方式。在試驗(yàn)中水量調(diào)節(jié)的范圍不大，因此，可以采取兩臺(tái)泵的方案，一臺(tái)定速泵，一臺(tái)變頻泵，定速泵提供大部分水量，變頻泵在一定范圍內(nèi)調(diào)整水量。定速泵價(jià)格便宜，而與之配合的變頻泵的功率可以大大減小，整體費(fèi)用也降低許多。本實(shí)施例所述水槽為方便回水和進(jìn)行彎渠的實(shí)驗(yàn)研究，總體為U型布置，總長約 50m(其中水槽長約41m)。水槽截面形狀為矩形，凈寬O. 8m，凈深O. Sm。各個(gè)槽段采用型鋼框架，各槽段之間用法蘭連接。水槽底板采用玻璃鋼材料，側(cè)壁采用中空玻璃。為方便拆卸和運(yùn)輸，一個(gè)直槽段長2m。所述的加冰槽段就是一個(gè)直槽段旁邊設(shè)置了一臺(tái)自動(dòng)加冰機(jī)。所述的加冰機(jī)是本實(shí)施例的關(guān)鍵設(shè)備。自動(dòng)加冰機(jī)有多種選擇，可以是料斗在低處，通過輸送帶將料斗中的冰塊輸送到水槽中，調(diào)節(jié)輸送帶的輸送速度控制冰塊進(jìn)入水槽的量；也可以使用提升機(jī)將冰塊提升到水槽上方，通過料斗閘門的開閉控制冰塊進(jìn)入水槽的量。自動(dòng)加冰機(jī)在實(shí)驗(yàn)過程中向水槽里加入薄片狀的冰塊，冰塊的大小為長、寬20-33毫米，厚2-4毫米。本實(shí)施例的另一個(gè)關(guān)鍵在于倒虹吸管。與上方向大氣敞開的其他槽段不同的是倒虹吸管是封閉的管子，水流在倒虹吸管中的流動(dòng)是有壓流動(dòng)。倒虹吸管的截面形狀可以是圓形截面的管子，也可以是與直槽段相同截面寬度的矩形，槽的上部有頂板密封，底板至頂板之間的距離(相當(dāng)于其他槽段的槽深)約為其他槽段深度的四分之一。倒虹吸管包括三個(gè)管段下水管、水平管和上水管，上水管和下水管是兩端傾斜的管，其傾斜與水平面之間的夾角從10度至90度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求而定。由于本實(shí)施例所述的水槽是可以拆卸式，因此，倒虹吸管可以拆卸下來，連接上其他種類的槽段，進(jìn)行其他類型的研究。例如將倒虹吸管改變?yōu)槎刹?，研究渡槽的冰水?dòng)力學(xué)特性。倒虹吸改變成直槽，利用U形彎槽，研究彎道冰水相互作用。倒虹吸變成直槽，沿水槽增設(shè)多個(gè)閘門，研究閘門冰期的聯(lián)合調(diào)度控制方式。倒虹吸改變成直槽，在水槽內(nèi)人為制造多種坡度，研究坡度變化對冰水作用的影響。倒虹吸變成直槽，在水槽內(nèi)鋪沙，研究冰、水、沙的相互作用。倒虹吸變成直槽，在水槽中設(shè)置各種水工設(shè)施，研究各種型式的攔冰索、攔冰墩等攔冰建筑物的攔冰效果。倒虹吸變成直槽，設(shè)置橋墩，研究河渠中常見的橋墩與冰塊間的相互作用等等，多種與冰水動(dòng)力學(xué)特性有關(guān)的內(nèi)容。倒虹吸管的出口段和水槽的末端(與回水箱連接的直槽段)各設(shè)置I套電控閘門，用于控制水槽的水位，通過控制器集中控制。兩個(gè)電控閘門的結(jié)構(gòu)可以相同也可以不同。倒虹吸管出口段的電控閘門稱為倒虹吸電控閘門；在與回水箱連接的直槽段上設(shè)置的電控閘門稱為電控尾門。為了安裝方便，電控尾門的結(jié)構(gòu)可以采用擺動(dòng)式的閘門。擺動(dòng)式閘門的閘門板的一端鉸鏈連接水槽底部，閘門板的另一端由鋼索吊起，閘門板在鋼索的拉緊作用下，繞鉸鏈抬起或放平。抬起時(shí)閘門關(guān)閉，放平時(shí)閘門開啟。這樣的擺動(dòng)式閘門有利于浮冰在水面流動(dòng)，防止阻塞水槽。倒虹吸電控閘門可以采用升降式的閘門，閘門升起為開啟，閘門下降是時(shí)為閘門關(guān)閉。兩處電控閘門都具精確檢測閘門上升和下降時(shí)位移的位移傳感器，以及檢測閘門附近水位的水位傳感器，但水位傳感器的位置略有不同倒虹吸電控閘門的水位傳感器設(shè)置在電控閘門的下游；電控尾門的水位傳感器設(shè)置在電控閘門的上游。電控尾門主要用于水槽中水位的控制，使用時(shí)在控制器的操作系統(tǒng)界面中輸入電控尾門水位的目標(biāo)值(尾門處設(shè)置的壓力傳感器提供準(zhǔn)確值的反饋信號(hào))，然后控制器可根據(jù)水位情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電控尾門的關(guān)閉和開啟，保持電控尾門處的水位在目標(biāo)水位附近。倒虹吸管電控閘門可模擬實(shí)際渠道中閘門的運(yùn)動(dòng)過程，有4段關(guān)閉或開啟速度可設(shè)，可在控制器操作系統(tǒng)界面中輸入電控閘門開度和運(yùn)動(dòng)時(shí)間。電控閘門的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，高精度電動(dòng)推桿，準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)速度由位移傳感器提供反饋信號(hào)。閘門速度的控制精度小于1mm。 本實(shí)施例所述的控制器可以是任何一種帶有控制和運(yùn)算功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以是通用PC機(jī)、工控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或PLC工業(yè)控制系統(tǒng)等，或者是PC與PLC結(jié)合形成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。所述的控制器帶有控制程序，并通過專門設(shè)置的控制界面對各個(gè)控制要素進(jìn)行控制。本實(shí)施例所述的控制器的控制界面如圖2所示(圖中對話框中的數(shù)據(jù)與本發(fā)明無關(guān))，各個(gè)控制要素的控制參數(shù)可以通過在對話框中輸入數(shù)據(jù)，方便的進(jìn)行控制，對整個(gè)平臺(tái)的流量、水位、加冰器要素等集中顯示、控制、采集和記錄。實(shí)施例二
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一所述水量供給裝置的細(xì)化。本實(shí)施例所述的水量供給裝置由兩條分別與源水箱和回水箱連接的管路組成，所述的兩條管路上分別設(shè)有水泵和流量計(jì)，其中一條管路上安裝的水泵是定速泵，另一條管路上安裝的水泵是變頻泵，所述的定速泵、變頻泵、流量計(jì)與所述的控制器電連接。本實(shí)施例由I臺(tái)變頻控制的離心泵(變頻泵)和I臺(tái)定速潛水泵(定速泵)組成，最大流量約為160L/S，當(dāng)流量較小時(shí)單獨(dú)使用變頻離心泵，當(dāng)流量較大時(shí)，同時(shí)使用2臺(tái)水泵。流量的控制可在控制系統(tǒng)的界面中直接在“流量設(shè)定欄”中輸入目標(biāo)流量，點(diǎn)擊“開泵”控制按鈕即可，關(guān)泵時(shí)點(diǎn)擊“關(guān)泵”控制按鈕?？刂破骺筛鶕?jù)流量的目標(biāo)值和測量值自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率和定速泵的開關(guān)，其中流量的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確值由2臺(tái)流量計(jì)提供的反饋信號(hào)獲得，形成閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)精度取決于流量計(jì)的測量精度。實(shí)施例三
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于自動(dòng)加冰機(jī)的細(xì)化，如圖3所示。本實(shí)施例所述的自動(dòng)加冰機(jī)由料斗805、定量輸送帶804和檔冰器802組成，所述的料斗為上口大下口小的錐型，所述定量輸送帶的進(jìn)料端設(shè)置在料斗的出口，所述輸送帶的出料端設(shè)置在加冰槽段的水槽801上方，所述的檔冰器設(shè)置在輸送帶出口的下方；所述輸送帶由變頻電機(jī)803驅(qū)動(dòng)，所述變頻電機(jī)與控制器電連接。本實(shí)施例所述加冰器由料斗、定量輸送帶、擋冰器組成，是一種由水槽外的低處從水槽上方想水槽中輸送冰塊的設(shè)備。所述的料斗可以是圓錐形的，也可以是截面為矩形的料斗。所述的定量輸送帶的主要輸送部件是帶有刮板的履帶。履帶是一塊塊金屬板鉸接形成的鏈狀帶，每塊履帶片上設(shè)有刮板，刮板的設(shè)置方向與履帶的運(yùn)動(dòng)方向垂直，兩塊刮板之間形成容納冰塊的一個(gè)個(gè)小方格空間。所述的履帶由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制加冰速度。履帶緊貼在料斗出口(間距控制在2-3_，太大和太小都容易卡住加冰機(jī))，這樣在履帶運(yùn)行過程中冰塊正好裝滿履帶上兩個(gè)刮板之間的小方格，不至于發(fā)生漏料的情況，而且保證冰塊輸送的連續(xù)性。料斗的邊墻的傾斜角度要足夠大(>50° )這樣冰塊不至于由于自身的粘性而在料斗中發(fā)生堆積，使得冰塊的輸送不連續(xù)。履帶上設(shè)置有蓋板，防止冰塊在向高處輸移過程中從小方格中滑落。蓋板于與履帶間的間距不宜過大了過小，過大，大量的滑落的冰塊堆積在底部容易卡死履帶；過小，履帶運(yùn)行過程中阻力增大，也容易卡死，間距在l-2cm左右比較合適。使用時(shí)將冰塊加入料斗中，然后通過控制器的控制界面開關(guān)即可。為了防止冰塊由加冰機(jī)進(jìn)入水槽時(shí)對水流產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，以及冰塊能夠均勻地進(jìn)入水中，可以在輸送帶下方安裝擋冰器。所述的檔冰器可以使用擋板或紗網(wǎng)等設(shè)施，擋在冰塊下落的途中，改變冰塊如水的速度，以減小冰塊落入水中的沖擊。
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實(shí)施例四
本實(shí)施例是實(shí)施例三的改進(jìn)，是實(shí)施例三關(guān)于料斗的細(xì)化。本實(shí)施例所述的料斗的錐型槽壁與水平面的夾角α大于50度，見圖3。實(shí)施例五
本實(shí)施例是實(shí)施例三的改進(jìn)，是實(shí)施例三關(guān)于定量輸送帶的細(xì)化，如圖4所示，是圖3中D點(diǎn)拆去側(cè)擋板的放大圖。本實(shí)施例所述的定量輸送帶包括硬質(zhì)材料的帶片8043鉸接連接形成的履帶，所述履帶由變頻電機(jī)帶動(dòng)，所述的帶片上設(shè)有與履帶運(yùn)動(dòng)方向垂直8042的刮板，履帶上方設(shè)有蓋板8041。本實(shí)施例所述的帶片可以是金屬、硬質(zhì)塑料或硬質(zhì)橡膠等材料。所述的變頻電機(jī)即變頻調(diào)速電機(jī)。所述刮板為長條狀其寬度與履帶的寬度接近或相等。所述上蓋和刮板之間形成小方格，使冰塊在運(yùn)輸過程中不至于脫落。實(shí)施例六
本實(shí)施例是實(shí)施例五的改進(jìn)，是實(shí)施例五關(guān)于檔冰器的細(xì)化，如圖5所示。本實(shí)施例所述的檔冰器包括放在水槽中作為支架的四條支腿8022，所述的各個(gè)支腿上分別設(shè)有導(dǎo)軌8025，所述的導(dǎo)軌上設(shè)有帶鎖緊螺栓8024的連接塊8023，所述的連接塊與檔冰面板8021固
定連接。所述的檔冰器由擋冰面板、4個(gè)支腿及相應(yīng)的螺絲、螺母組成。擋冰面板是一整塊光滑的平板，可以是纖維板或有機(jī)玻璃板，這樣冰塊掉落在上面后可沿其斜面慢速滑落至水中，起到緩沖作用。固定塊膠粘在擋冰面板的底部，中心打孔，可安裝螺絲。4條支腿的中部開孔，形成導(dǎo)軌，螺絲可在支腿導(dǎo)軌中自由滑動(dòng)，這樣可以根據(jù)水槽中水位的高度來調(diào)節(jié)擋冰面板的高度，也可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)擋冰面板的傾斜角度，以控制冰塊滑落的速度。當(dāng)擋冰面板的高度和傾斜角度調(diào)整完成以后，可用支腿兩側(cè)的緊固螺母將擋冰面板固定在所需位置處。螺絲的另一作用是可向兩側(cè)伸長，當(dāng)水槽的寬度大于擋冰板的寬度時(shí)，可將螺絲向兩側(cè)伸長直至水槽的側(cè)壁，起到在兩側(cè)方向上固定的作用，防止冰塊下落撞擊擋冰面板引起擋冰板的震動(dòng)，從而對水流產(chǎn)生擾動(dòng)。
實(shí)施例七
本實(shí)施例是實(shí)施例一的改進(jìn)，是實(shí)施例一關(guān)于倒虹吸管的細(xì)化，如圖6所示。本實(shí)施例所述的倒虹吸管由下水管601、水平管602和上水管603組成，所述的上水管、水平管和下水管的截面形狀均為矩形，所述矩形的寬度與直槽段相等，所述矩形的高度為直槽段高度的四分之一。本實(shí)施例所述的倒虹吸管與直槽段相同，采用型鋼框架，各管段之間用法蘭連接。水槽底板采用玻璃鋼材料，側(cè)壁采用中空玻璃。實(shí)施例八
本實(shí)施例是上述實(shí)施例的改進(jìn)，是上述實(shí)施例的關(guān)于電控倒虹吸閘門。本實(shí)施例所述的電控倒虹吸閘門包括可以沿閘門導(dǎo)軌上下移動(dòng)的閘門體，所述的閘門體上端設(shè)有絲杠，所述的絲杠由變速器帶動(dòng)，所述的變速器由可模擬實(shí)際渠道中閘門運(yùn)動(dòng)過程的伺服電機(jī)驅(qū) 動(dòng)。實(shí)施例九
本實(shí)施例是一種使用實(shí)施例一所述仿真平臺(tái)的冰水耦合綜合仿真方法，所述方法的步驟如下
流量控制的步驟用于開啟水量供給裝置，根據(jù)流量計(jì)提供反饋信號(hào)調(diào)節(jié)水泵的供給量，使水槽中的水流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的初始目標(biāo)流量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，水槽中要有一定流量的水流，水流由水量供給裝置提供。水量供給裝置主要由連接源水箱和回水箱的管路和管路上的水泵和流量計(jì)組成。在不開啟水泵的情況下，水集中在回水箱中。水泵開啟后，水泵通過所述的管路將水從回水箱中抽到源水箱中，水從源水箱流經(jīng)水槽回到回水箱中，這樣在水槽中形成水流。當(dāng)水在源水箱中聚集到一定程度時(shí)，也就是源水箱中的水位達(dá)到一定高度是，水槽中的水流接近或達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的初始目標(biāo)水流。水流的大小由水泵的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，水泵最高轉(zhuǎn)速時(shí)水流最大。實(shí)驗(yàn)中需要多種水流，這就需要調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，使水流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。所述管路中的流量計(jì)檢測水的流量，并將水流量的信息傳給控制器，控制器通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，使水槽中的水流量維持實(shí)驗(yàn)所需要的水流量。水位控制的步驟用于根據(jù)電控調(diào)節(jié)尾門處設(shè)置的水位傳感器提供反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)電控調(diào)節(jié)尾門，使模擬水槽中的水位達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定的初始目標(biāo)水位。當(dāng)水槽中有一定的水流量后，需要對水槽中的水位進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需要的水位。水工實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)就是水位，在各種水位條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)觀測實(shí)驗(yàn)中的水位變化，是水工實(shí)驗(yàn)的重要工作。因此，調(diào)整水槽中的原始目標(biāo)水位十分重要。本實(shí)施例通過調(diào)整電控尾門使水槽中保持一定的水位。并通過電控尾門上游的水位傳感器檢測尾門上游的水位，控制器根據(jù)該傳感器所獲取的水位信息，調(diào)整尾門的開度。加冰的步驟用于通過自動(dòng)加冰機(jī)向模擬水槽中輸入冰塊，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定改變加冰量。加冰是本實(shí)施例的重要過程，在水槽中加冰，研究冰塊在水槽模擬的渠道中，對水流的影響。由于是仿真實(shí)驗(yàn)，渠道是按比例縮小的，所以冰塊也需要按比例縮小，冰塊主要是薄片狀小片，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要，定量的傾倒在水槽中。定量傾倒冰塊的方式，可以是通過由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸送帶，輸送定量的冰塊。改變變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，增加和減小輸送帶的輸送速度，得以改變冰塊的傾倒量。監(jiān)測水位變化的步驟用于通過自動(dòng)加冰機(jī)與倒虹吸之間的直槽段上設(shè)置的水位傳感器，采集水位數(shù)據(jù)，測量倒虹吸進(jìn)口前冰塊數(shù)量變化所弓I起的水位變化。水位的變化是最重要的水工實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在冰塊傾倒進(jìn)水槽后，會(huì)引起水槽中的水位變化，特別是冰塊在進(jìn)入倒虹吸管時(shí)會(huì)引起倒虹吸管進(jìn)口段的水流和水位的變化，因此，需要密切觀測倒虹吸管進(jìn)口段在各種加冰數(shù)量的情況下水位的變化。記錄的步驟用于對實(shí)驗(yàn)過程中的流量、水位、加冰量的數(shù)據(jù)，以及冰塊堆積、輸移的過程進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)記錄是科學(xué)實(shí)驗(yàn)最重要的元素，本實(shí)施例所述的需要記錄的一些重要數(shù)據(jù)，由于是電訊號(hào)，可以通過控制器進(jìn)行自動(dòng)記錄。但還有一些重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程的變化必須通過其他手段進(jìn)行記錄，當(dāng)然也包括人工記錄。而水流的流態(tài)變化是水工實(shí)驗(yàn)中不可或缺的記錄，這種流態(tài)變化除由現(xiàn)場有豐富經(jīng)驗(yàn)的科技人員進(jìn)行觀察外，還可以通過手持?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行。由于流態(tài)變化所出現(xiàn)的位置通常無法確定，而且什么地方可以觀察到流態(tài)的變化，從什么角度進(jìn)行拍攝，只有在現(xiàn)場時(shí)才能確定，所以一般不設(shè)置固定位置的攝像機(jī)，只是在現(xiàn)場隨機(jī)的進(jìn)行手持拍攝。改變初始目標(biāo)流量或初始目標(biāo)水位,反復(fù)進(jìn)行加冰的步驟、監(jiān)測水位變化的步驟、記錄的步驟。仿真實(shí)驗(yàn)需要多種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，因此，單一的流量和水位不能說明問題，必 須反復(fù)的改變和調(diào)整實(shí)驗(yàn)中的重要參數(shù)，反復(fù)的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才能達(dá)到理想的效果。在本實(shí)施例中初始目標(biāo)流量和初始目標(biāo)水位是兩個(gè)十分重要的基本參數(shù)，兩個(gè)初始參數(shù)的變化會(huì)引起整個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的變化，因此需要反復(fù)調(diào)整和改變這兩個(gè)參數(shù)，以達(dá)到滿意的實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)施例十
本實(shí)施例是實(shí)施例九的改進(jìn)，是實(shí)施例九關(guān)于流量控制步驟的細(xì)化。本實(shí)施例所述的流量控制的步驟使用實(shí)施例二所述仿真平臺(tái)的水量供給裝置，所述裝置的供水方法是
用定速泵提供全部實(shí)驗(yàn)所需要的目標(biāo)流量的60%-80%，用變頻泵提供全部目標(biāo)流量的20%-40%，并用變頻泵調(diào)節(jié)和穩(wěn)定目標(biāo)流量。本實(shí)施例采用兩套平行的管路系統(tǒng)，每套管路系統(tǒng)都具有水泵和流量計(jì)，只是水泵不同，一條管路使用定速泵，另一條管路使用變頻泵。這是一種節(jié)約資源的方式。在冰水耦合的仿真實(shí)驗(yàn)中，水流量通常保持在一定量上，調(diào)整只是在這一定量上進(jìn)行微調(diào)，不是大范圍內(nèi)的調(diào)整，所以沒有必要使用大功率的變頻泵。使用定速泵產(chǎn)生一個(gè)較大的流量，再使用一個(gè)變頻泵在較小的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，可以大大節(jié)約資金，也可以節(jié)約能源。例如本實(shí)施例，使用定速泵提供水流量的60%-80%，使用變頻泵在水流量的20%-40%的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)難
iF. O最后應(yīng)說明的是，以上僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳布置方案對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案(比如整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)槽段的連接方式、水位傳感器的位置設(shè)置、實(shí)驗(yàn)方法的前后步驟等)進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種冰水耦合綜合仿真平臺(tái)，包括源水箱和回水箱，所述的源水箱和回水箱之間設(shè)有水量供給裝置，多個(gè)直槽段，其特征在于，還包括U字形槽段、帶有自動(dòng)加冰機(jī)的加冰槽段、出口帶有電控倒虹吸閘門和倒虹吸出口水位傳感器的倒虹吸管；所述的源水箱依次與加冰槽段、兩到三個(gè)帶有多個(gè)水位傳感器的直槽段、倒虹吸管、一個(gè)直槽段、U字形槽段、多個(gè)直槽段、回水箱可拆卸的連接形成水槽，與回水箱連接的直槽段上設(shè)有帶有水位傳感器的電控尾門；所述的水量供給裝置、自動(dòng)加冰機(jī)、電控倒虹吸閘門、電控尾門、各個(gè)水位傳感器與控制器電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿真平臺(tái)，其特征在于，所述的水量供給裝置由兩條分別與源水箱和回水箱連接的管路組成，所述的兩條管路上分別設(shè)有水泵和流量計(jì)，其中一條管路上安裝的水泵是定速泵，另一條管路上安裝的水泵是變頻泵，所述的定速泵、變頻泵、流量計(jì)與所述的控制器電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿真平臺(tái)，其特征在于，所述的自動(dòng)加冰機(jī)由料斗、定量輸送帶和擋冰器組成，所述的料斗為上口大下口小的錐型，所述定量輸送帶的進(jìn)料端設(shè)置在料斗的出口，所述輸送帶的出料端設(shè)置在加冰槽段的水槽上方，所述的檔冰器設(shè)置在輸送帶出口的下方；所述輸送帶由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所述變頻電機(jī)與控制器電連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的仿真平臺(tái)，其特征在于，所述的料斗的錐型槽壁與水平面的夾角大于50度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的仿真平臺(tái)，其特征在于，所述的定量輸送帶包括硬質(zhì)材料的帶片鉸接連接形成的履帶，所述履帶由變頻電機(jī)帶動(dòng)，所述的帶片上設(shè)有與履帶運(yùn)動(dòng)方向垂直的刮板，履帶上方設(shè)有蓋板。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的仿真平臺(tái)，其特征在于，所述的擋冰器包括放在水槽中作為支架的四條支腿，所述的各個(gè)支腿上分別設(shè)有導(dǎo)軌，所述的導(dǎo)軌上設(shè)有帶鎖緊螺栓的連接塊，所述的連接塊與檔冰面板固定連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的仿真平臺(tái)，其特征在于，所述的倒虹吸管由下水管、水平管和上水管組成，所述的上水管、水平管和下水管的截面形狀均為矩形，所述矩形的寬度與直槽段相等，所述矩形的高度為直槽段高度的四分之一。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的仿真平臺(tái)，其特征在于，所述的電控倒虹吸閘門包括可以沿閘門導(dǎo)軌上下移動(dòng)的閘門體，所述的閘門體上端設(shè)有絲杠，所述的絲杠由變速器帶動(dòng)，所述的變速器由可模擬實(shí)際渠道中閘門運(yùn)動(dòng)過程的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
9.一種使用權(quán)利要求I所述仿真平臺(tái)的冰水耦合綜合仿真方法，其特征在于所述方法的步驟如下 流量控制的步驟用于開啟水量供給裝置，根據(jù)流量計(jì)提供反饋信號(hào)調(diào)節(jié)水泵的供給量，使水槽中的水流量達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的初始目標(biāo)流量； 水位控制的步驟用于根據(jù)電控調(diào)節(jié)尾門處設(shè)置的水位傳感器提供反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)電控調(diào)節(jié)尾門，使模擬水槽中的水位達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定的初始目標(biāo)水位； 加冰的步驟用于通過自動(dòng)加冰機(jī)向模擬水槽中輸入冰塊，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定改變加冰量; 監(jiān)測水位變化的步驟用于通過自動(dòng)加冰機(jī)與倒虹吸之間的直槽段上設(shè)置的水位傳感器，采集水位數(shù)據(jù)，測量倒虹吸進(jìn)口前冰塊數(shù)量變化所引起的水位變化；記錄的步驟用于對實(shí)驗(yàn)過程中的流量、水位、加冰量的數(shù)據(jù)，以及冰塊堆積、輸移的過程進(jìn)行記錄； 改變初始目標(biāo)流量或初始目標(biāo)水位，反復(fù)進(jìn)行加冰的步驟、監(jiān)測水位變化的步驟、記錄的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述的流量控制的步驟使用權(quán)利要求2所述仿真平臺(tái)的水量供給裝置，所述裝置的供水方法是 用定速泵提供全部實(shí)驗(yàn)所需要的目標(biāo)流量的60%-80%，用變頻泵提供全部目標(biāo)流量的.20%-40%，并用變頻泵調(diào)節(jié)和穩(wěn)定目標(biāo)流量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冰水耦合綜合仿真平臺(tái)和方法，包括源水箱和回水箱，源水箱依次與加冰槽段、兩到三個(gè)帶有多個(gè)水位傳感器的直槽段、倒虹吸管、一個(gè)直槽段、U字形槽段、多個(gè)直槽段、回水箱可拆卸的連接形成水槽，與回水箱連接的直槽段上設(shè)有帶有水位傳感器的電控尾門；水量供給裝置、自動(dòng)加冰機(jī)、電控倒虹吸閘門、電控尾門、各個(gè)水位傳感器與控制器電連接。本發(fā)明的應(yīng)用大大減少了冰水耦合實(shí)驗(yàn)的手工操作，增加了實(shí)驗(yàn)的精確度，更重要的是加快了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程和速度，這一點(diǎn)對于應(yīng)急研究有著特殊的意義，在特殊的環(huán)境下可以挽回人民生命財(cái)產(chǎn)的損失，甚至挽救生命。
文檔編號(hào)E02B1/02GK102758415SQ201210257498
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月25日
發(fā)明者付輝, 李福田, 楊開林, 王大龍, 王濤, 王鵬, 董興林, 謝省宗, 譚水位, 郭新蕾, 郭永鑫 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院