亚洲成年人黄色一级片,日本香港三级亚洲三级,黄色成人小视频,国产青草视频,国产一区二区久久精品,91在线免费公开视频,成年轻人网站色直接看

一種脈動壓力驅動下河床垂向潛流交換試驗裝置及其制作方法與流程

文檔序號:11515092閱讀:385來源:國知局
一種脈動壓力驅動下河床垂向潛流交換試驗裝置及其制作方法與流程

本發(fā)明涉及一種試驗裝置,特別涉及一種脈動壓力驅動下河床垂向潛流交換試驗裝置。



背景技術:

潛流交換是潛流帶中地表水與地下水相互交換時所引起的物質(水、保守性溶質、反應性溶質)、顆粒和膠體在河道和河道附近飽和沉積層之間的相互交換。潛流交換過程對流域水資源的準確評價、潛流帶的生態(tài)系統(tǒng)及河流生態(tài)系統(tǒng)的健康均具有重要意義。通過試驗來研究潛流交換過程和機理是最直接有效的手段。

目前,潛流交換試驗主要有室內水槽試驗和野外監(jiān)測試驗兩種形式。野外監(jiān)測試驗通常采用設置觀測井并埋設傳感器的形式,來獲得測點處溫度、壓力等實測數(shù)據(jù),其主要優(yōu)點是測量數(shù)據(jù)真實、數(shù)據(jù)時間序列長,但成本較高、野外干擾因素多、試驗周期較長等缺點也會給潛流交換試驗的進程造成不利影響。相對而言,室內試驗具有測試方便、測量方法較多、測量成本低等優(yōu)點。因此,利用室內水槽試驗方法研究潛流交換相關問題成為目前國內外學者采用較多的手段。

過去多數(shù)研究者通過建立室內水槽模型、填充砂石的方式來模擬河道,通過塑造特定的河床形態(tài)改變河床的局部壓力梯度,促進潛流交換的發(fā)生;或者通過水槽及流量閥控制地表水和地下水的水流條件,在相關測點布置傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置,研究不同水位、流速條件下河床垂向潛流交換的情況;也有研究者通過自動升降活塞控制水槽水位形成動態(tài)的洪水脈沖效應,用于研究一種周期性洪水脈沖驅動下的河漫灘潛流交換過程。這些模型主要通過改變河床形態(tài)、水流條件或者利用水槽水位整體升降達到洪水的脈沖效應,無法實現(xiàn)脈動壓力為唯一驅動力作用下的河床垂向潛流交換過程的研究。發(fā)生洪水、大壩泄水、階梯坎等均會使下游水流產(chǎn)生較大的脈動壓力,對河道的潛流交換過程具有重要影響,因此,開發(fā)一種周期性脈動壓力驅動下的河床垂向潛流交換試驗模型及其制作方法已成潛流交換試驗函待解決的關鍵問題。



技術實現(xiàn)要素:

本發(fā)明針對目前水槽試驗的局限,開發(fā)一種周期性脈動壓力驅動下河床垂向潛流交換試驗裝置;打破了傳統(tǒng)水槽模型通過改變河床地形產(chǎn)生局部壓力梯度的局限性,突破了地表水位整體升降產(chǎn)生動態(tài)脈沖效應的單一模式,通過控制水位自動升降形成振動源,引起水槽水位發(fā)生近似三角函數(shù)的周期性波動,對河床界面形成動態(tài)脈動壓力,驅動河床發(fā)生垂向潛流交換作用。

本發(fā)明的技術方案是:一種周期性脈動壓力驅動下河床垂向潛流交換試驗裝置,主要包括自動升降水位控制系統(tǒng)、水位簡諧振動控制室及河床水槽模型三部分,所述自動升降水位控制系統(tǒng)通過出水管連接水位簡諧振動控制室;水位簡諧振動控制室位于河床水槽模型左側,之間用有機玻璃板作為擋板;所述自動升降水位控制系統(tǒng)由鐵支架、大齒輪、短連桿、小齒輪、長連桿、電機及鐵架臺、細鋼絲、儲水桶、木平臺、出水管、導軌組成;所述水位簡諧振動控制室由消能倉和水箱組成,河床水槽模型由河床模型、角鋼支架、水槽組成;其特征在于:鐵支架、鐵架臺分別固定大齒輪和小齒輪,小齒輪軸心處與電機連接,大齒輪和小齒輪正確嚙合;大齒輪軸心處連接短連桿,短連桿下端連接長連桿,長連桿端部通過細鋼絲與儲水桶相連,儲水桶固定在木平臺上,木平臺水平置于四根導軌間,可上下滑動;儲水桶桶口處通過出水管連接水箱進水口,出水管管身設一止水夾;水箱進水口與消能倉位于水箱底部,水箱右側填石英砂構成河床模型,水箱與河床模型均置于水槽中,水槽用角鋼支架支撐,水槽側壁上布置4個測孔。

進一步的,所述水槽結構尺寸為2m×0.15×1m。

進一步的,所述測孔位于水槽一側側壁上,在水平方向上等距布置4個側孔,測孔,測孔距河床模型上表面5cm,左側測孔距擋板30cm,4個測孔間距10cm。

進一步的,所述水箱為水槽壁面與擋板連接構成的半封閉結構,上端開口與水槽水體連通,下端設置消能倉與進水口。

進一步的,所述木平臺方形木板制作而成,木板中心處開一個直徑8cm的孔洞,用于放置儲水桶桶口,木板兩邊各開2個矩形缺口,缺口中間設置橡膠滾輪,以木板中心為圓心、以14cm長為半徑畫圓并沿圓輪廓等間距鉆6個孔,孔徑為1cm,孔內放入長40cm、直徑1cm鐵棒,鐵棒下端帶有螺紋,用螺母固定在木板上;將左右兩側的三根鐵棒分別用鐵片焊接成為鐵箍,用于將儲水桶固定在木平臺上。

進一步的,所述儲水桶由飲用水桶改裝而成,將飲水桶桶口倒置放入木平臺洞口處,用橡膠塞封閉,橡膠塞中間插入一根出水管和一根導氣管,導氣管一端插入桶內,其端口低于桶內液面但高于出水管端口,另一端暴露在空氣中,高度大于桶內液面,用固定夾固定在鐵棒上。

進一步的,所述進水口處的出水管端設濾網(wǎng)防止堵塞。

進一步的,所述導軌用2m長角鋼焊接而成,中間形成凹槽,用于木平臺滾輪滾動,導軌底部高度30cm和50cm之間布置一排桁架,用于維持導軌的穩(wěn)定性。

進一步的,所述消能倉長寬高為0.1m×0.15m×0.1m,通過填充砂礫構成。

本發(fā)明所述的一種周期性脈動壓力驅動下河床垂向潛流交換試驗裝置的制作方法,其特征在于方法步驟如下:

第一步,關閉止水夾19,向儲水桶8內注入2/3體積水,轉動小齒輪4和大齒輪2使短連桿3與長連桿5位于同一直線上且豎向連桿長度之和達到最大。

第二步,向水槽17內注水至水深達到10cm時停止注水,打開止水夾19,待儲水桶與水槽內水位持平且處于穩(wěn)定狀態(tài)時,打開電機使系統(tǒng)開始運行,并記下轉速。

第三步,系統(tǒng)運行時,小齒輪4帶動大齒輪2轉動,大齒輪上的連桿帶動儲水桶升降,利用儲水桶與水位簡諧振動控制室內水量的流通達到使水槽水體產(chǎn)生脈動壓力的效果。

第四步,待水槽內水體形成穩(wěn)定的脈動壓力時,用注射器依次、迅速地通過4個測孔向河床注射濃度為0.25g/l的高錳酸鉀溶液作為示蹤劑,并開始計時。此時刻計為0時刻。這里注射器不宜插入河床太深,防止觀察不到所注入示蹤劑的示蹤軌跡。

第五步,分別在第5min、10min、15min、20min、30min、60min、90min、120min……記錄4個測孔注入的示蹤劑軌跡。當示蹤劑軌跡基本不再發(fā)生變化時,關閉電機,停止試驗。

第六步,得到4組示蹤劑垂向距離變化與試驗時間之間的關系曲線。

第七步,改變轉機轉速,重復第一步至第六步的步驟。

通過以上步驟,可以獲得不同強度的脈動壓力對河床垂向潛流交換深度及潛流交換速度的影響。

本發(fā)明的工作原理是:水槽設置沙床模型模擬河床;通過電機使小齒輪帶動大齒輪轉動,大齒輪再通過連桿帶動儲水桶緩慢升降,使儲水桶水位發(fā)生周期性升降,利用連通器原理,使水位簡諧振動室內水位產(chǎn)生簡諧振動;電機轉速與連桿長度的設計依托于特定水位波動的波峰與周期。水箱進水口與自動升降水位控制系統(tǒng)相連,并通過消能倉減小涌水造成的紊流影響,水箱上端開口與水槽水體相通,整體形成上游地表水簡諧振動控制系統(tǒng),它使水槽地表水左端形成穩(wěn)定的振動源,引起水槽地表水位產(chǎn)生近似三角函數(shù)變化的周期性波動。

本發(fā)明的創(chuàng)新點:1)改變了傳統(tǒng)水槽模型通過塑造不同河床地形或者通過活塞使水槽水位整體升降的制作模式,實現(xiàn)了脈動壓力作為河床垂向潛流交換唯一驅動因子的試驗效果;2)通過自制的自動升降水位控制系統(tǒng),使水槽水體形成穩(wěn)定、連續(xù)、呈周期性變化的動態(tài)脈動壓力,實現(xiàn)室內研究脈動壓力驅動下的河床垂向潛流交換過程;3)自制的消能倉能夠消減進水口的涌水造成的紊流影響,保證水位簡諧振動控制室內的水體形成穩(wěn)定的振動源,減少對試驗的干擾。4)調節(jié)電機的轉速,利用自制的齒輪組和連桿的機械運動可對比研究不同強度的脈動壓力對河床垂向潛流交換的影響,試驗操作靈活、簡便。5)本試驗裝置通過注射示蹤劑并獲得不同脈動壓力作用下示蹤距離的時間曲線,可以直接獲得潛流交換深度,并間接獲得脈動壓力強度對潛流交換速率的影響,為脈動壓力驅動下的河床垂向潛流交換機理研究提供了重要依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的潛流交換實驗裝置的結構示意圖;

圖2為本發(fā)明的自動升降水位控制系統(tǒng)示意圖;

圖3為本發(fā)明的木平臺結構示意圖;

圖4為本發(fā)明的自動升降水位控制系統(tǒng)初始時刻連桿位置圖;

圖5為本發(fā)明的自動升降水位控制系統(tǒng)某時刻連桿位置圖;

圖6為本發(fā)明的自動升降水位控制系統(tǒng)在控制室水位達到振幅時連桿位置圖;

圖7為本發(fā)明的自動升降水位控制系統(tǒng)末時刻連桿位置圖。

在圖中,1、鐵支架,2、大齒輪,3、短連桿,4、小齒輪,5、長連桿,6、電機,7、鐵架臺,8、細鋼絲,9、儲水桶,10、木平臺,11、出水管,12、導軌,13、消能倉,14、水箱,15、擋板,16、河床模型,17、角鋼支架,18、水槽,19、測孔,20、螺栓,21、止水夾,22、滾輪,23、固定夾,24、鐵箍,25、通氣管,26、鐵棒,27、鐵軸。

具體實施方式

1、水槽制作與技術。水槽結構尺寸為2m×0.15m×1m。水槽左部為水位簡諧振動控制室,其下端通過出水管與自動升降水位控制系統(tǒng)相連;水槽右部設置沙床模型模擬河床。水槽用角鋼支架支撐。隨著電機轉動,儲水桶中的水位隨之升降,帶動水位簡諧振動控制室中水位自動升降形成振動源,引起水槽水位發(fā)生近似三角函數(shù)的波動。

水槽設計較窄,有利于增強水槽水位對水位簡諧振動控制室水位振動的響應,提高其波動特性。

2、水位簡諧振動控制室制作與技術??刂剖矣伤?、消能倉、進水口組成。其中,水箱為水槽壁面與擋板連接構成的半封閉結構,上端開口與水槽水體連通,下端設置消能倉與進水口,利用連通器原理,控制室內水位隨儲水桶升降產(chǎn)生簡諧振動,形成振動源。其中,擋板結構尺寸為0.15m×0.6m,擋板距水槽左壁尺寸為0.1m。進水口設置消能倉,長寬高為0.1m×0.15m×0.1m,進水時填充礫石可緩沖水流,消減涌水造成的紊流影響。由于存在一定的水頭損失,控制室內實際水位與理論值略有偏差。

3、自動升降水位控制系統(tǒng)制作與技術。系統(tǒng)由木平臺、導軌、儲水桶、齒輪組、電機、連桿、出水管組成。系統(tǒng)運行時,電機使小齒輪帶動大齒輪轉動,大齒輪上的連桿帶動儲水桶升降,使儲水桶水位發(fā)生周期性升降,利用連通器原理,水位簡諧振動控制室內水位也會隨之響應,在較為狹窄的空間內快速升降,達到簡諧振動的目的,并形成振動源帶動水槽水位發(fā)生近似三角函數(shù)的周期性波動。大齒輪轉動一周,對應水位簡諧振動控制室水位的一個升降過程,定義為一個周期。當儲水桶上升時,儲水桶內部分水體流入水位簡諧振動控制室內,使控制室水位上升;當儲水桶下降時,控制室內有部分水體又會回流到儲水桶內,對應的控制室內水位下降。

現(xiàn)將自動升降水位控制系統(tǒng)各部分的具體設計技術方案分述如下:

1)木平臺與導軌設計

木平臺由厚5cm、邊長40cm的方形木板制作而成,木板中心處開一個直徑8cm的孔洞,用于放置儲水桶桶口,木板兩邊各開2個矩形缺口,缺口尺寸為7.5cm×4cm,缺口中間設置外徑8cm、厚3cm的橡膠滾輪。以木板中心為圓心、以14cm長為半徑畫圓并沿圓輪廓等間距鉆6個孔,孔徑為1cm,孔內放入長40cm、直徑1cm鐵棒,鐵棒下端帶有螺紋,用螺母固定在木板上;將左右兩側的三根鐵棒分別用鐵片焊接成為鐵箍,用于將儲水桶固定在木平臺上。木平臺水平置于4根導軌中間,導軌用2m長角鋼焊接而成,中間形成凹槽,用于木平臺滾輪滾動,導軌底部高度30cm和50cm之間布置一排桁架,用于維持導軌的穩(wěn)定性。

2)儲水桶設計

儲水桶由飲用水桶(18l,直徑27cm)改裝而成,取材方便,制作簡單,水容量大,具體改裝過程為:將飲水桶桶口倒置放入木平臺洞口處,用橡膠塞封閉,橡膠塞中間插入一根出水管(桶內φ202.5亞克力管,桶外接2619pvc加筋軟管)和一根導氣管(桶內φ51亞克力管,桶外接85pu管);導氣管一端插入桶內,其端口低于桶內液面但高于出水管端口,另一端暴露在空氣中,高度大于桶內液面,用固定夾固定在鐵棒上;出水管與水位簡諧振動控制室的消能倉相連,中間設置止水夾控制流量。

3)連桿長度設計

初始時刻(t0)儲水桶內水位與水位簡諧振動控制室內水位齊平,以水槽底部為基準面,則儲水桶內水位()即為控制室內初始水位,此時短連桿(長度a)與長連桿(長度b)處于一條直線上且兩連桿豎向長度之和達到最大(a+b),儲水桶底部高度為h0;當大齒輪轉動半周時,短連桿與長連桿處于一條直線上且兩連桿豎向長度之和達到最小(b-a),則儲水桶內水位達到最大值();大齒輪繼續(xù)轉動半周后,儲水桶達到初始位置,因此,大齒輪轉動一周,對應儲水桶內水位一個振動周期。設某時刻(t1)短連桿與豎向夾角為α,則儲水桶底部高度為h‘0,儲水桶內水位為h‘1,這里,

利用連通器原理,水位簡諧振動控制室內水位與儲水桶內水位近似持平,即h‘1,儲水桶內水量變化與控制室內水量變化近似相等,則有,

a1[(h1-h0)-(h'1-h'0)]=a2(h'1-h1)(2)

簡化式(2)得,

式中,a1、a2分別表示儲水桶和控制室的截面面積。因此,水位簡諧振動控制室內的水位變化量也可表述為一個三角函數(shù)波動,且受儲水桶和控制室的截面面積、長(短)連桿長度、電機轉速三個因子控制。所以,控制室內水位變化區(qū)間為

因此,長(短)連桿長度的設計依托于控制室內水位振幅的彈性調整。

4)電機轉速設計

大齒輪轉動一周對應水位簡諧振動控制室內水位的一個振動周期。設大、小齒輪半徑為,水位振動周期為t,則大齒輪角速度為由于大、小齒輪角速度之間存在如下關系:w1r=w2r,則小齒輪角速度轉化為電機轉速為

因此,電機轉速的設置依托于控制室內水位振動周期與大、小齒輪的半徑。

具體實施例

1、水槽18結構尺寸為2m×0.15m1m,由有機玻璃材質制作而成。水槽18由左側水位簡諧振動控制室與右側河床模型16組成,中間用有機玻璃材質的擋板15隔開,擋板尺寸為0.15m×0.6m,擋板距水槽左壁尺寸為0.1m。擋板右側河床模型16結構尺寸為1.9m×0.15m×0.6m,用石英砂料(d10=0.6mm,d60=1.1mm,d90=1.4)填充,孔隙率為0.25,干密度為1.6g。當系統(tǒng)運行時,水位簡諧振動控制室內水位發(fā)生簡諧振動形成振動源,引起河床模型上部水體發(fā)生近似三角函數(shù)的周期性波動,對河床界面形成動態(tài)脈動壓力,驅動河床部分的地表—地下水發(fā)生垂向潛流交換作用。

2、水位簡諧振動控制室有效尺寸為0.1m×0.15m×0.6m,位于擋板15左側,由水箱14、消能倉13、進水口組成。其中,水箱14為水槽壁面與擋板連接構成的半封閉結構,上端開口與水槽水體連通,下端設置消能倉與進水口。消能倉結構尺寸為0.1m×0.15m×0.1m,用礫石(d≈20mm)填充,進水口處的出水管11端口附有濾網(wǎng)(200目304鋼)防止堵塞。進水時消能倉可緩沖水流,消減涌水造成的紊流影響。

3、自動升降水位控制系統(tǒng)控制儲水桶內水位發(fā)生變化,引起水位簡諧振動控制室內水位產(chǎn)生簡諧振動。系統(tǒng)由鐵支架1、電機6、鐵架臺7、小齒輪4、大齒輪2、短連桿3、長連桿5、細鋼絲8、儲水桶9、木平臺10、出水管11、導軌12組成。系統(tǒng)運行前,關閉止水夾21,向儲水桶9內注入2/3體積水,轉動小齒輪4和大齒輪2使短連桿3與長連桿5位于同一直線上且豎向連桿長度之和達到最大;向水槽18內注水至水深達到10cm時停止注水,打開止水夾21,待儲水桶與水槽內水位持平且處于穩(wěn)定狀態(tài)時,打開電機使系統(tǒng)開始運行。系統(tǒng)運行時,小齒輪4帶動大齒輪2轉動,大齒輪上的連桿帶動儲水桶升降,利用儲水桶與水位簡諧振動控制室內水量的流通達到使水槽水體產(chǎn)生脈動壓力的效果。

當前第1頁1 2 
網(wǎng)友詢問留言 已有0條留言
  • 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊!
1