环形水槽系统结构设计及最佳转速比研究

该文阐述了旋转环形水槽系统结构,分为上层旋转装置、中部环形水槽、底部支撑及测控系统4个部分。环形水槽是在剪力环和环形槽的剪切力和惯性力下形成水流,它相当于过水断面水流状态相同的无限长的水槽,通过改变二者的相对转速到达最佳转速比,极大程度削弱横向环流的产生。环形水槽常用于模拟一般河流的水流结构,来研究细颗粒泥沙的起动、沉降等问题,它是水利研究人员用以研究泥沙运动特性的先进辅助设备,有着非常好的推广前景。该文利用环形水槽对最佳转速比问题开展研究,研究成果可为今后进一步开展环形水槽相关实验提供基础。

双向环形水槽流速分布规律试验研究

环形水槽以其能满足细颗粒泥沙沉降所需的距离要求、无流入口和流出口的影响已被广泛使用在细颗粒泥沙运动规律的研究中。为最大程度地削弱横向流,采用环形槽、剪力环同时反向旋转,拟合出剪力环和环形槽的最佳转速比曲线,并在清水率定的过程中采用旋浆式流速仪测量不同水深、多级转速下环形水槽的分层流速。试验数据表明环形水槽中线处垂线流速分布呈S型,流速在边界处有较大的梯度,在流场中心区域分布较均匀,可用三次函数进行拟合。流速沿槽宽呈线性分布,由外壁向内壁递减,使得各断面流速分布相同,可以模拟无限长直水槽。

长江口南槽粘性细颗粒泥沙环形水槽试验研究

粘性细颗粒泥沙在盐淡水混合区域遇电解质海水发生絮凝,从而改变了泥沙原有的沉降特性。选用长江口南槽悬沙,在双向环形水槽中进行盐度、含沙量、流速等不同条件下组合实验。结果表明:不淤流速与泥沙粒径密切相关,而含沙量、盐度等条件可以忽略,多种组合条件下均表现为50～60 cm/s;沉降速度随着断面平均流速的增大而逐渐减小;平衡含沙量与流速呈对数关系,低流速条件下盐度影响较大;泥沙的淤积百分比与流速表现为二次曲线关系,淤积量与盐度并非成严格正相关关系,而是与流速、含沙量等因素关系较密切,且在低流速情况下与初始含沙量关系不大。

灌河口泥沙的环形水槽试验

利用环形水槽及现场原沙,在动水絮凝条件下(模拟现场海水状况)探讨了自然情况下灌河口悬沙的起动及落淤状况,建立了泥沙平衡浓度与流速的关系,并由此得到某种沙的不淤流速值.试验结果表明,不同初始浓度的泥沙,其起动流速均为20m/s左右;应用麦克劳林沉降模式测出的30m/s流速以下的水流中的泥沙沉降速度为0.007m/s.

环形水槽二维数值模拟

摘要 运用二维数模方法,得到了环形水槽任一断面上的流场、压力场.通过分析认为,环形水槽可以用来模拟长直水槽.

粘性泥沙环形水槽实验研究

粘性泥沙特性研究中,水样、沙样和设备是至关重要的。作者经过大量试验表明,充分分散沙样使之成为原始单颗粒,在环形水槽中用同一电导的人工海水模拟现场不同流速、不同盐度、不同含沙量情况下粘性泥沙在水流中的起动、冲刷、落淤等,其效果十分优良。

环形水槽机理与应用研究

通过对环形水槽水流测试,得出流速垂向和径向分布.依据泥沙动水沉降试验,分析横向流对泥沙沉降影响,指出环形水槽应用前景。

加长型环形水槽水流特性的数值模拟

由直槽及半环形水槽组成的加长型环形水槽被用来研究水流的三维水力特性.水流由位于水面的运动固体盖拖曳而产生运动.采用ADV测速仪对水流动力学特性进行物理观测,并采用美国Fluent公司的标准化CFD计算软件对水流进行了三维数值模拟.研究表明,在弯段有明显的二次流,水槽外侧流速大于内侧,且由于对流作用,弯段下游的直段水槽内水流也呈类似分布,但随着流程的增加,流速沿横向分布趋于均匀.与单一环形水槽相比,加长型环形水槽由于直段内水流结构相对简单,可以更好地用于泥沙动力学研究.

便携式流速仪测试装置中环形水槽的架拆与优化

环形便携式流速仪测试装置理论上可提供无限长的测试距离,同时便于运输及快速架设,对于便携式流速仪的测试具有重要意义,探寻装置中环形水槽的架拆及优化方法很有必要。针对环形便携式流速仪测试装置中的环形水槽部分,开展了"三步走"架设实验,每次实验后及时总结,分析实验过程中遇到的问题,优化架拆方案,有效提升了环形水槽的架拆工作效率。

试验双向环形水槽的结构及控制技术

介绍了新研制的双向环形水槽的结构及所应用的变频调速技术、自动切换遥控采样、光电测速等技术,使该水槽的圆环和环槽可以分别在很宽的速度范围内平稳运转;同时便于实验过程中自动多点采样,并可通过设定采样时间参数改变水样的提取量。它是一种用以研究泥沙运动特性的先进辅助设备。

环形水槽最佳转速比研究

环形水槽常用于模拟一般河流的水流结构,来研究细颗粒泥沙的起动、沉降等问题,长期以来得到广泛使用。但环形水槽内部存在强烈的不可消除的二次流,通常情况下,可以通过调节剪切环和水槽的转速比来减弱环形水槽二次流。文章通过对比环形水槽实体环形水槽实测流速和数值环形水槽计算的结果,建立环形水槽数值环形水槽。在既定的环形水槽和试验水深条件下,通过改变上下盘的转速研究了环形水槽的最佳转速比,文章认为传统的实体环形水槽率定最佳转速比的方法存在一定不合理性以及不同的实验目的应设定不同的最佳转速比。

环形水槽在泥沙研究中的应用

环形水槽由环形槽,剪力环和使环形槽、剪力环运转的驱动部组成,是目前研究细颗粒泥沙运动规律的较理想设备。天科所的环形水槽自1986年建成以来,已进行了天津新港等十几个地区原体泥沙的起动、动水沉降、水流挟沙能力、推移质输沙率等试验。经验表明:环形水槽在泥沙研究中的应用是多方面的,所得结果基本符合天然泥沙的运动过程和基本规律。

环形生态水槽流动的特性研究

实测了环形生态水槽内的流速分布。采用柱坐标系下的k -ε湍流模型及SIMPLE算法 ,对该流场进行了数值模拟。从计算结果和实验资料的分析比较看出 ,计算结果可靠。在此流场内进行了钉螺的运动特点的实验研究 ,结果表明钉螺具有流速敏感性 ,对研究钉螺的随流扩散具有重要意义。

太湖水质时空分布特征及内源释放规律研究

将太湖 2 0 0 1～ 2 0 0 2年的水质监测数据与空间数据相结合 ,采用基于因子分析的主成分分析方法将太湖的水质参数概括为 5个主成分 ,提取并反证了湖泊水质各个主成分的科学内涵 ,分别为 :水体营养指数 (F1)、富营养化指数 (F2 )、水体溶解氧指数 (F3 )、水体色度指数 (F4)和水体酸碱指数 (F5 ) ;研究了各主成分的空间分布特征和随时间的变化规律 .在室内环形水槽内模拟了水动力条件下太湖底泥的起动规律 ,得到了太湖底泥在 3种不同起动标准 (个别动、少量动、普遍动 )下的起动流速 ,并利用泥沙起动的理论模型给予了验证 ,最后得出太湖底泥在 3种不同起动标准下的起动流速分别为 :3 7.9cm·s- 1 ,46 7cm·s- 1 ,5 9 8cm·s- 1 .通过考察上覆水中TN、TP浓度的变化 ,建立了底泥中TN、TP释放率与水体流速的定量化关系 .并将太湖水量水质的同步监测资料应用在数学模型中 ,解决了以往模型中底泥释放率取为常数的不足 。

风浪扰动条件下沉水植物对水流结构及底泥再悬浮的影响

太湖底泥在风浪条件下的再悬浮及其与上覆水体之间污染物的释放扩散特性研究越来越受到国内外学者的重视，但水生植物的影响机制还有待深入研究。在鼓风式环形水槽种植天然沉水植物苦草，利用三维声学多普勒流速仪ADV研究水流特性，用悬浮颗粒物SPM质量浓度表征底泥再悬浮量，分析不同风速条件下沉水植物水流结构的变化及对底泥再悬浮的抑制作用。结果表明，在大风（8.78 m/s）、中风（5.95 m/s）、小风（3.21 m/s）扰动作用下，对照组水槽中水流结构均服从指数分布，且距离水体表层10 cm以内区域流速受风速的影响最明显，垂向变化梯度最大，随水深增加，变化梯度逐渐减小。试验组有沉水植物的水槽水流流速均小于对照组流速，水流结构明显改变，植物有效高度内流速变化缓慢，大、中、小风情况下分别稳定在0.7 cm/s、1.5 cm/s、2.1 cm/s左右；植物层以上区域流速变化梯度则较大，特别是在中风情况下，从1.7 cm/s增加到9.35 cm/s，增加了4.5倍。同时，沉水植物对底泥再悬浮有显著抑制作用，上覆水悬浮物质量浓度降低了90%以上，并最终保持在6.3~13.3 mg/L的低质量浓度状态。

水动力条件对湖泊水体磷素质量浓度的影响

以环形水槽为研究手段,利用其可控的流速及可模拟的无限长,解决了前人未解决的湖泊水体水动力难以真实模拟的难题,模拟研究了不同流速对湖泊(太湖)水体中磷素质量浓度的影响。研究表明,随着水体流速的变化,湖泊水体中TP质量浓度的变化呈现3个阶段,即下降期、上升期和突增期。从物理化学和泥沙起动理论两方面,结合水流对悬浮物和沉积物的作用,分析了各阶段产生的原因。文章认为下降期的产生是因为在低流速下,一部分磷被悬浮物的絮凝沉淀带走所引起;上升期的产生则是因为流速上升扰动沉积物,使其达到少量动状态所引起;突增期的产生则是因为流速导致了沉积物普遍动而产生的。在研究范围内,溶解性磷质量浓度与水体流速有着明显的正相关关系;而在低流速下,溶解性磷是TP的主要组成成分,其质量浓度的相对比例可高达87%。结合太湖的有关研究,文章认为这是水华现象产生的关键原因。

红外实时测沙仪研制及其应用

环形水槽是研究细颗粒泥沙的理想装置,但测沙技术的相对滞后极大地制约了环形水槽的使用。为改进环形水槽的传统测沙技术,自主研发完全开放式的实时在线测沙仪器,力求在水槽中实验水样的自然流态下实时测量垂线悬浮泥沙含量。采用光源调制技术,结合特殊的光路设计,将含沙量转换为现代实验技术易于处理的电信号。并针对环形水槽的特殊工作方式,设计数据采集和无线传输接口,送入计算机进行数据后处理及综合分析,实现了含沙量的在线实时量测。实测实验表明数据线性度高,重复性好,有较大的实用价值和创新意义。

北运河流域河流沉积物中氮磷污染物释放规律

北京市北运河流域属于典型缺水型城市纳污河流,沉积物释放的氮磷污染物已成为阻碍水环境质量持续改善的主要因素。利用自制环形水槽,对不同流速下沉积物中氮磷的动态释放规律进行研究,结果表明,静态条件下,沉积物中氨氮平均释放速率1 136 mg/(m^2·d),磷酸盐平均释放速率为145 mg/(m^2·d),在流速0.05 m/s的缓流水体中,氨氮平均释放速率为1 408 mg/(m^2·d),而磷酸盐平均释放速率为125 mg/(m^2·d)。流速增加会显著促进氮素的硝化作用,使水体中氨氮浓度降低,硝酸盐氮浓度上升。同时,流速增加导致水体中颗粒物含量增加,促进磷吸附行为,水体中磷酸盐浓度下降。

往复流作用下粉砂的起悬和沉降过程

介绍了旋转环形水槽的结构和工作原理,提出了削弱环形水流离心力的方法,通过环形水槽中周期往复流泥沙运动试验得出水体含沙量与床面剪切力和水体挟沙力之间的关系。