一種全自動測量及控制試驗用環形水槽的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，室內地平上設置有一水平機座，水平機座上設置有驅動機構，驅動機構上設置有可轉動環形水槽，環形水槽內均布有若干剪力環，剪力環連接吊桿旋轉系統，吊桿旋轉系統連接一龍門架；所述環形水槽外半徑為1.095m，內半徑為0.920m，水槽寬度為0.160m，壁厚0.015m，水槽最大高度為0.5m，水槽的旋轉半徑R=1.000m。本實用新型所述的裝置不僅可以用于水流、泥沙動力特性的研究，還可應用于水質、水環境、生態、漁業、船舶、傳熱等相關試驗，且測量的精確性和實驗的穩定性好。
【專利說明】一種全自動測量及控制試驗用環形水槽

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于水利、水運、環境工程機理性研究【技術領域】，具體的來說涉及細顆粒泥沙物理動力過程及運動特性的桁架式全自動測量及控制實驗用環形水槽。

【背景技術】
[0002]粗顆粒泥沙在水中的運動過程較易分辨，無需特定設備即可觀測；但對于細顆粒，其在水中的含量會顯著改變水體的渾濁度和辨識度，更重要的是，細顆粒運動會顯示程度不一的群體性、隨機性與環境敏感性，其動力機理與運動過程十分復雜。細顆粒泥沙在水中的運動形式、運動過程及動力特性等是泥沙基礎理論體系中一個最基本、最核心的研究對象，它的相關參數是表征泥沙運動特征和地形地貌演變最重要的指標。到目前為止，對于細顆粒泥沙在水中的相關機理、微觀動力過程等物理狀態的描述仍無統一、適應性廣、理論性強的公式和參數。因此，在國內外不同文獻上可以見到大量的，以室內試驗、現場觀測和理論推導等為基礎的動力學參數值或經驗公式。不同的公式形式差異巨大；再加上泥沙研究學科相關參數的地域性與經驗型較強，因此在不同的工程實踐中，選擇一個合適的泥沙動力學參數是一件非常令人困惑的事情，最恰當的方法是采用一種合適的室內裝置，選擇合適的試驗條件給出相關參數。
[0003]長期以來，主要依賴現場觀測或直水槽室內試驗來研究其相關基本理論，但是由于細顆粒泥沙顆粒小、沉降過程慢，在試驗室內進行水流泥沙試驗時，完成全部起懸沉積過程的時間較長，因此就需要很長的水槽，普通的直槽通常難以滿足距離要求，而且用直槽研究細顆粒泥沙會帶來水泵攪動破壞絮團和水流結構的問題。
[0004]環形水槽是近幾十年來國內外公認為最合適的細顆粒泥沙動力試驗設備，環形水槽從理論上來講實際上是模擬了無限長的長直水槽，其主要優勢在于:(1)不需回水裝置和消能設施，不破壞泥沙的絮凝狀態，即泥沙能在與現場條件相似的狀態下沉積、起動和輸移；(2)操作方便，試驗水深、含沙濃度、水流速度可方便地進行調節；(3)有機玻璃槽體可改造性強，可適應不同類型的各種試驗條件和要求。
[0005]對于利用通過環形水槽來研究泥沙微觀動力學特性，在國內外已經應用了多年。綜合文獻來看，相關參數均具有特定的適用條件和適用范圍，不能簡單的定性其正確與否，因為研究者的研究目的、考慮因素的差異，各種結論對不同情況均有很強的適用性。因此，不能不加分析直接運用到特定的工程實踐中去，尤其在那些復雜環境的水域。
[0006]此外，以往環形水槽試驗裝置的設計在水流流速測量、含沙量測量、主槽體的控制系統、取水樣設備等方面還有諸多問題或者不足之處。現在測控儀器飛速發展，測量及控制的可靠性、精度和測量范圍逐步提高，因此十分有必要利用最新的測控設備來重新設計出一個全自動、高精度的環形水槽試驗裝置系統，為細顆粒泥沙動力過程及其相關機理的研究提供幫助。
[0007]在幾十年環形水槽的建造和運行中，三個比較核心的環形水槽制作存在的難點如下。
[0008](I)如何通過環形水槽整體制作誤差的控制，和最優轉速比的選擇來減少二次流；
[0009](2)在盡量減少干擾情況下，如何搭載先進的三維高頻測流設備與聲學光學測沙設備，提聞測量精度；
[0010](3)如何保證控制的精確性、穩定性和試驗的可重復性。
實用新型內容
[0011]本實用新型所要解決的技術問題在于，克服現有技術存在的問題，提供一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，該裝置的水槽不僅可以用于水流、泥沙動力特性的研究，還可應用于水質、水環境、生態、漁業、船舶、傳熱等相關試驗。
[0012]為了解決上述問題本實用新型的技術方案是這樣的:
[0013]一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，室內地平上設置有一水平機座，水平機座上設置有驅動機構，驅動機構上設置有可轉動環形水槽，環形水槽內均布有若干剪力環，剪力環連接吊桿旋轉系統，吊桿旋轉系統連接一龍門架；所述環形水槽外半徑為1.095m，內半徑為0.920m,水槽寬度為0.160m,壁厚0.015m,水槽最大高度為0.5m,水槽的旋轉半徑R=L 000m。
[0014]所述剪力環為12個，剪力環為高強度亞克力澆筑透明板一次性無縫熱壓整體成型制成。
[0015]所述水平機座上具有一中心軸，中心軸穿過環形水槽連接龍門架的上端。
[0016]所述吊桿旋轉系統，包括旋轉架，旋轉架圍繞中心軸布置，旋轉架上部設置有旋轉驅動機構和升降驅動機構，旋轉架的下部末端連接剪力環。
[0017]所述旋轉架上設置有升降傳感器。
[0018]所述環形水槽為高強度亞克力澆筑透明板一次性無縫熱壓整體成型制成。
[0019]所述驅動環形水槽的驅動機構和旋轉架上部設置的旋轉驅動機構為有刷直流伺服電機，所述有刷直流伺服電機為測速電機，有刷直流伺服電機上連接有伺服調速器。
[0020]所述實驗裝置連接有一基于輸出功率控制的環形水槽控制系統。
[0021]所述環形水槽內設置有:聲學點式流速儀和光學濁度儀，兩個儀器利用串口轉無線方式連接一信息采集系統。
[0022]有益效果，本實用新型通過環形水槽整體制作誤差的控制，和最優轉速比的選擇來減少二次流；
[0023]本實用新型在盡量減少干擾情況下，搭載了先進的三維高頻測流設備與聲學光學測沙設備，提高測量精度；
[0024]本實用新型保證控制的精確性、穩定性和試驗的可重復性。
[0025]尤其在主槽體無縫成型、桁架結構設計、動力控制系統軟硬件設計、測控軟硬件系統等方面具有很好的創新性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]下面結合附圖和【具體實施方式】來詳細說明本實用新型；
[0027]圖1為本實用新型所述的試驗裝置的整體結構示意圖。
[0028]圖1a為圖1的側視圖。
[0029]圖2a為環形槽轉動狀態I示意圖。
[0030]圖2b為環形槽轉動狀態2示意圖。
[0031 ]圖2c為環形槽轉動狀態3示意圖。
[0032]圖3a為轉動狀態I環形槽垂直于水流方向的剖面二次流示意圖。
[0033]圖3b為轉動狀態2環形槽垂直于水流方向的剖面二次流示意圖。
[0034]圖3c為轉動狀態3環形槽垂直于水流方向的剖面二次流示意圖。
[0035]圖4為環形槽平面狀態結構示意圖。
[0036]圖5為龍門架結構示意圖。
[0037]圖6為剪力環平面狀態結構示意圖。

【具體實施方式】
[0038]為了使本實用新型實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本實用新型。
[0039]環形水槽的核心主要由環形槽、剪力環組成(可見附圖1)，剪力環和環形槽的轉動是水流運動的主要動力來源，環形水槽能產生準均勻流的基本原理為:
[0040](I)當環形槽轉動時，由相對運動原理，水槽內便形成與水槽運轉方向相反的水流，槽內主流在內側，剖面環流為逆時針。如圖2a;
[0041](2)當剪力環嵌入水槽并和槽內水面接觸運轉時，水流方向與上盤相同，主流在外偵?，剖面環流為順時針。如圖2b;
[0042](3)上下同時反向、并以一定合適的比例旋轉時，主流在中間位置，剖面環流明顯減弱，水流方向與上盤相同。如圖2c。
[0043]圖3a、圖3b、圖3c為垂直于水流方向的剖面二次流示意圖；圖3a、圖3b、圖3c依次為單剪力環轉、單環形槽轉、上下同時反向、并以一定合適的比例(最優轉速比)旋轉的示意圖，分別和圖2a、圖2b、圖2c對應。
[0044]經過專門的數模研究及對前人水槽結果的分析，最佳轉速比(剪力環與環形槽旋轉角速度的比例)的判別標準為:
[0045](I)主流既不靠近內側，也不靠近外側，在居中位置；
[0046](2) 二次流動能比在一個較小值范圍內；
[0047](3)同一深度流速，不同徑向位置，切向流速差異較小。
[0048]再次參看圖1，本實施例中一種桁架式全自動測量及控制環形水槽的試驗裝置，室內地平上設置有一水平機座I，水平機座I上設置有驅動機構2，驅動機構2上設置有可轉動環形水槽3，環形水槽3內均布有若干剪力環4，剪力環4連接吊桿旋轉系統5，吊桿旋轉系統5連接一龍門架6。
[0049]根據平面環流的產生原理，要想減少二次流的唯一辦法是充分加大環形水槽的外徑、縮小水槽的寬度，這樣才可進一步壓縮環形槽內的橫向流。此外還需要水槽內壁足夠平順光滑、剪力環與環形水槽的間距足夠小、剪力環與環形槽的圓度整體性要好。
[0050]首先，在主槽體相關尺寸的選擇上，我們是利用三維數學模型計算二次流動能比、最大可達流速、最優轉速比等基礎上以及適當考慮未來的發展方向。參看圖4，選擇環形水槽外半徑Rl為1.095m，內半徑R2為0.920m，水槽寬度D為0.160m，壁厚d為0.015m，水槽最大高度H為0.5m,水槽的旋轉半徑R=1.000m。
[0051]此外，在主槽體筒體及剪力環的設計中，均采用高強度亞克力澆筑透明板，一次性無縫熱壓整體成型，沒有任何拼接縫隙，槽體的完整性和圓度控制較好
[0052]參看圖5，為保證整個系統運行時結構整體穩定，且后期易于移動，本環形水槽的龍門架的采用整體桁架結構。本結構水平、豎直方向均能調節，基座與地面不固定，保證運行時不會產生振動及位移。
[0053]水平機座I和龍門架6可同步移動。
[0054]所述龍門架的跨度為3.900米，龍門架的高度為2.265米。
[0055]本環形水槽的動力部分采用有刷直流伺服電機(帶測速電機)+伺服調速器的組合方式，這樣能保證環形槽及剪力環轉速的閉環控制，運行時穩定性高。
[0056]參看圖6，所述剪力4環為12個。所述剪力環為高強度亞克力澆筑透明板一次性無縫熱壓整體成型制成。
[0057]再次參看圖1，所述水平機座I上具有一中心軸12，中心軸12穿過環形水槽I連接龍門架6的上端。
[0058]所述吊桿旋轉系統5，包括旋轉架51，旋轉架51圍繞中心軸12布置，旋轉架51上部設置有旋轉驅動機構52和升降驅動機構53，旋轉架的下部末端連接剪力環4。所述旋轉架上設置有升降傳感器。
[0059]此外，專門針對環形水槽的控制特點，開發了一套基于輸出功率控制的環形水槽控制器和基于Labview的控制器軟件,這樣就實現了水槽的全自動高精度的控制。
[0060]而以往環形水槽在動力及控制系統上存在很大的不足，主要表現在，轉速非閉環控制、運行的不穩定、控制系統采用人工控制，精度不夠高。
[0061]本環形水槽的水沙測量部分采用先進的聲學點式流速儀(ADV)以及光學濁度儀(0BS300)，此外兩個儀器均利用串口轉無線技術實現無線實時控制，再加上編制的專門的基于Matlab的OBS無線實時傳輸系統軟件,這樣就實現了水沙基本信息方便、實時的傳輸。
[0062]而以往環形水槽在流速及含沙量的測量上一直存在問題，尤其是當渾水測量時，隨著含沙量的增加，傳統的懸漿式流速和虹吸式取樣器一般都不能正常工作，此外以往的含沙量測量數據都是后處理的，試驗時無法獲得實時信息。
[0063]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特征和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內。本實用新型專利要求保護的范圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
【權利要求】
1.一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，室內地平上設置有一水平機座，水平機座上設置有驅動機構，驅動機構上設置有可轉動環形水槽，環形水槽內均布有若干剪力環，剪力環連接吊桿旋轉系統，吊桿旋轉系統連接一龍門架；所述環形水槽外半徑為1.095m,內半徑為0.920m，水槽寬度為0.160m，壁厚0.015m，水槽最大高度為0.5m，水槽的旋轉半徑R=1.000m。
2.根據權利要求1所述的一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，所述剪力環為12個。
3.根據權利要求2所述的一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，所述剪力環為高強度亞克力澆筑透明板一次性無縫熱壓整體成型制成。
4.根據權利要求1所述的一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，所述水平機座上具有一中心軸，中心軸穿過環形水槽連接龍門架的上端。
5.根據權利要求1所述的一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，所述吊桿旋轉系統，包括旋轉架，旋轉架圍繞中心軸布置，旋轉架上部設置有旋轉驅動機構和升降驅動機構，旋轉架的下部末端連接剪力環。
6.根據權利要求5所述的一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，所述旋轉架上設置有升降傳感器。
7.根據權利要求1所述的一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，所述環形水槽為高強度亞克力澆筑透明板一次性無縫熱壓整體成型制成。
8.根據權利要求1或5所述的一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，所述驅動機構為有刷直流伺服電機，所述有刷直流伺服電機為測速電機，有刷直流伺服電機上連接有伺服調速器。
9.根據權利要求1所述的一種全自動測量及控制試驗用環形水槽，其特征是，所述環形水槽內設置有:聲學點式流速儀和光學濁度儀，兩個儀器利用串口轉無線方式連接一信息米集系統。
【文檔編號】G01N15/00GK203949845SQ201320475851
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年8月5日 優先權日:2013年8月5日
【發明者】萬遠揚, 黃偉, 張宏偉, 沈淇, 顧峰峰, 李為華 申請人:上海河口海岸科學研究中心