本發(fā)明涉及水沙測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

環(huán)形水槽相對(duì)于長(zhǎng)直型水槽在泥沙的水力特性研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，不受長(zhǎng)度限制，循環(huán)運(yùn)動(dòng)的模式無需流體及顆粒補(bǔ)給，流態(tài)及試驗(yàn)參數(shù)可控程度高等。但傳統(tǒng)環(huán)形水槽中水流的運(yùn)動(dòng)由環(huán)形槽及水平剪力盤雙向控制，每次試驗(yàn)前需要對(duì)環(huán)形槽及剪力盤的轉(zhuǎn)速比進(jìn)行率定，以最大限度消除橫向環(huán)流的影響，操作繁瑣，即便是在轉(zhuǎn)速比最佳時(shí)，水槽中仍呈現(xiàn)“8”字型雙環(huán)流，且水槽底部的圓周切向剪力由內(nèi)壁向外壁逐漸減小，床面顆粒受力不均，復(fù)雜的流場(chǎng)分布使得測(cè)量不準(zhǔn)確?；诖苏J(rèn)識(shí)研制新型簡(jiǎn)單準(zhǔn)確流態(tài)穩(wěn)定的試驗(yàn)裝置極為必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，改善實(shí)驗(yàn)效果，降低實(shí)驗(yàn)操作難度，并節(jié)省實(shí)驗(yàn)人員的時(shí)間。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于：它主要由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、環(huán)形槽、錐形剪力盤、空氣軸承、扭矩測(cè)量?jī)x、金屬支架和觀測(cè)裝置組成。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)通過豎直桿件向下連接椎面朝下的錐形剪力盤，錐形剪力盤置于環(huán)形槽并且其外緣接近但不碰到環(huán)形槽內(nèi)壁；用于裝入流體的環(huán)形槽上方開口且由透明材料制成，環(huán)形槽外側(cè)設(shè)置觀測(cè)裝置，環(huán)形槽下部裝在空氣軸承上；空氣軸承懸空裝在金屬支架上，空氣軸承下部連接扭矩測(cè)量?jī)x；金屬支架上部裝設(shè)可上下移動(dòng)的升降臺(tái)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)裝在升降臺(tái)上。

進(jìn)一步的，上述的用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，所述的環(huán)形槽及錐形剪力盤由光滑透明的有機(jī)玻璃制成，透光性能良好，便于和成像技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)觀測(cè)。

進(jìn)一步的，上述的用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，所述的錐面錐形剪力盤的椎面與水平面夾角小于5o。

進(jìn)一步的，上述的用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，所述的空氣軸承為無摩擦的空氣軸承。

進(jìn)一步的，上述的用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，所述的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，錐形剪力盤，環(huán)形槽，空氣軸承，扭矩測(cè)量?jī)x五個(gè)部件形心位于同一鉛垂線上。

進(jìn)一步的，上述的用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，所述的觀測(cè)裝置還連接用于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)的基于折射率匹配技術(shù)及粒子圖像測(cè)速的流速觀測(cè)及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。

進(jìn)一步的，上述的用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，所述的錐形剪力盤的頂點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)時(shí)與環(huán)形水槽底部的泥沙表面相切。

本發(fā)明的有益效果是：

1.相對(duì)傳統(tǒng)泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)裝置，本發(fā)明的新型錐板環(huán)形水槽，尺寸小，便于存放，操作簡(jiǎn)便，通過結(jié)合無擾動(dòng)觀測(cè)裝置設(shè)備可實(shí)現(xiàn)泥沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步采集。

2．本發(fā)明的新型錐板環(huán)形水槽兼具有錐板轉(zhuǎn)子流變儀的特點(diǎn)，可通過控制錐板轉(zhuǎn)速在水槽中分別實(shí)現(xiàn)層流，紊流兩種流態(tài)。且可實(shí)現(xiàn)層流紊流共存的狀態(tài)，該流態(tài)是以往泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)裝置中無法實(shí)現(xiàn)的。

3.本發(fā)明的環(huán)形水槽槽底的切應(yīng)力處處相等，槽底泥沙受力均勻，改善了傳統(tǒng)泥沙觀測(cè)裝置的邊界條件不穩(wěn)定的缺陷，為泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)提供了保障。

附圖說明

圖1為一種用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置主視圖。

在圖中：1.驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，2.環(huán)形槽，3.錐形剪力盤，4.空氣軸承，5.扭矩測(cè)量?jī)x，6.金屬支架，7.觀測(cè)裝置及計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，8.升降臺(tái)，9.流體。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種用于泥沙運(yùn)動(dòng)觀測(cè)及流速觀測(cè)的新型錐板環(huán)形水槽實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1、環(huán)形槽2、錐形剪力盤3、空氣軸承4、扭矩測(cè)量?jī)x5、金屬支架6、觀測(cè)裝置及計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)7。金屬支架5為框架結(jié)構(gòu)，上部裝設(shè)可上下移動(dòng)的升降臺(tái)8，中部放置椎板環(huán)形槽2及空氣軸承4，下部安裝扭矩測(cè)量?jī)x5。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1通過豎直桿件向下連接椎面朝下的錐形剪力盤3，錐形剪力盤3置于環(huán)形槽2并且其外緣接近但不碰到環(huán)形槽2的內(nèi)壁；用于裝入流體9的環(huán)形槽2上方開口且由透明材料制成，環(huán)形槽2的外側(cè)設(shè)置觀測(cè)裝置7，環(huán)形槽2下部裝在空氣軸承4上；空氣軸承4懸空裝在金屬支架6上，空氣軸承4下部連接扭矩測(cè)量?jī)x5；金屬支架6上部裝設(shè)可上下移動(dòng)的升降臺(tái)8，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1裝在升降臺(tái)8上。

所述的環(huán)形槽2及錐形剪力盤3由光滑透明的有機(jī)玻璃制成，透光性能良好，便于和成像技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)觀測(cè)。環(huán)形槽2內(nèi)徑95mm，錐形剪力盤3放置于環(huán)形槽2中，底面半徑為93mm，略小于環(huán)形槽2的內(nèi)徑，豎向位移由升降臺(tái)控制。錐形剪力盤3的錐面頂點(diǎn)豎直朝下，錐面與水平面夾角a=4o，，在底面中心處，通過豎直桿件和驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1相連。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1帶動(dòng)錐形剪力盤3勻速旋轉(zhuǎn)從而使得槽中流體9做圓周運(yùn)動(dòng)。為了使得槽底的剪切力相等，錐形剪力盤3剪力盤錐面頂點(diǎn)和環(huán)形槽底部的固體邊界中心應(yīng)在運(yùn)動(dòng)中保證接觸。環(huán)形槽2坐落于無摩擦的空氣軸承4之上?？諝廨S承4中心與扭矩測(cè)量?jī)x5相連。觀測(cè)裝置及計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)7可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)的基于折射率匹配技術(shù)及粒子圖像測(cè)速的流速觀測(cè)及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集處理。

上述的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)1，錐形剪力盤2，環(huán)形槽3，空氣軸承4，扭矩測(cè)量?jī)x5五個(gè)部件形心位于同一鉛垂線上。

利用上述裝置，可以完成以下實(shí)驗(yàn)任務(wù)和得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

1．泥沙起動(dòng)觀測(cè)：

（1）直接觀測(cè)記錄法：準(zhǔn)備階段，高速旋轉(zhuǎn)頂部剪力盤使得所有顆粒懸浮，之后迅速停止轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒將自由下落并形成松散床體。此方法下顆粒床的填充率約為60%且初始厚度保持在(15±0.3)d，填充率指顆粒床中顆粒體積所占百分比，和孔隙率相加為1。每次試驗(yàn)前將重復(fù)上述準(zhǔn)備階段。轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的初始最小值為0.001hz，增大步長(zhǎng)為0.001hz，在初始最小頻率下床面顆粒均保持靜止。通過改變轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，調(diào)節(jié)床面上顆粒受到的圓周向切應(yīng)力。測(cè)試中在當(dāng)前頻率下，床面保持靜止，則停止該組試驗(yàn)并增大轉(zhuǎn)動(dòng)頻率進(jìn)行下一組試驗(yàn)。直至某一組試驗(yàn)，觀測(cè)到床面有少量顆粒從靜止到運(yùn)動(dòng)這個(gè)過程，記該組試驗(yàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為f0。則可以認(rèn)為轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為f0時(shí)是顆粒起動(dòng)的臨界狀態(tài)，床面切應(yīng)力為顆粒起動(dòng)拖曳力。

（2）扭矩測(cè)量法：逐步增大轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，在底部顆粒沒有發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，扭矩為線性分布，且施加扭矩和扭矩測(cè)量?jī)x測(cè)得扭矩相等，當(dāng)二者值不再相等時(shí)，即為顆粒運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)。

2.泥沙沉速測(cè)量：

利用水槽內(nèi)所有過水?dāng)嗝娴牧魉俜植己秃撤植家恢滦缘奶攸c(diǎn),在某一試驗(yàn)條件下,直接測(cè)取水中平均含沙量隨時(shí)間變化的過程,可確定出相應(yīng)泥沙粒徑的動(dòng)水沉降速度。

3.輸沙率觀測(cè)：

通過記錄觀測(cè)斷面上每秒通過的泥沙顆粒數(shù)量進(jìn)而得到輸沙率。

4.流速觀測(cè)：

通過在流體中添加示蹤粒子，獲得水槽內(nèi)流速分布規(guī)律。

5.模型試驗(yàn)沙選?。?/p>

為使?jié)M足模型沙沉降相似的條件,先取原型沙進(jìn)行某水流條件下沉降試驗(yàn),然后將選用的模型沙分級(jí)進(jìn)行與原型沙相同的水流條件試驗(yàn)。再根據(jù)沉降比尺,就可選用或配制試驗(yàn)所要求的模型沙。