一種河工模型試驗的懸移質加沙裝置的製作方法
2023-07-11 15:52:56 2
專利名稱：一種河工模型試驗的懸移質加沙裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於水利試驗領域，特別涉及河工模型試驗的懸移質加沙裝置。
背景技術：
懸浮於水體中隨水流一起向下遊運動的泥沙顆粒稱為懸移質泥沙。在天然河流中，懸移質泥沙含量佔總泥沙量的比例一般在80%以上。河工模型試驗作為河流研究的重要手段，懸移質泥沙運動的模擬至關重要。為在河工模型試驗中準確模擬懸移質泥沙的運動過程，需要建立水沙分離系統，即在河工模型進口施放水流流量過程，同時通過懸移質加沙裝置加入懸移質泥沙。加沙時，首先根據河工模型設計確定在某級水流流量下需要加入的懸移質加沙量，通過懸移質加沙裝置將所需要的較高含沙濃度的沙漿加入河工模型進口，與水流充分摻混後進入河工模型試驗段以正確模擬水沙的運動過程。目前，河工模型進口的水流流量過程控制已有成熟的技術，但懸移質沙漿的加沙方法則各個模型不盡相同。傳統的精度較高的懸移質加沙系統為泵吸式迴路加沙裝置。泵吸式迴路加沙裝置，如圖1所示，主要由沙漿池1、水泵2、穩流塔3、供沙管4、放沙裝置5和回流管6組成。該裝置的工作原理為高揚程水泵2將沙漿池1中的高濃度沙漿抽至高處的穩流塔3，從塔中引出供沙管4，在河工模型進口 7進行放沙操作後剩餘的沙漿通過回流管6再回到沙漿池1，從而使沙漿以較高的流速在整個加沙裝置中循環。根據放沙裝置5的不同，又可以進一步將泵吸式迴路加沙裝置分為管嘴放沙和支管放沙兩種形式，管嘴放沙裝置的結構如圖2所示，由多個不同直徑的短管5-1組成，各短管的上端與供沙管4的管壁最低處所開的有孔徑對應的小孔對接，短管下端為閥門5-2。試驗過程中，需要事先在一定的壓力下標定各個短管管嘴的流量，根據河工模型的要求採用不同的短管管嘴組合得出需要的沙漿流量；此方法能保證加沙的精度，但需要手工操作，且短管管嘴較易堵塞，如果供沙管道中的壓力發生變化，還會影響短管管嘴標定的流量。支管放沙裝置的結構如圖3所示，由一根直徑與供沙管4相當的支管5-3，電磁流量計5-4和電動閥門5-5組成。支管5-3的上端與供沙管4外壁最低處的開孔焊接，支管 5-3中部安裝電磁流量計5-4，下端安裝電動閥門5-5。放沙時，沙漿在重力作用下從支管4 下端流出，通過調節電動閥門5-5的開度控制沙漿流量的大小。在試驗過程中，一般均是主管流量很大，支管流量相對很小(對應的流速亦很小)，有的試驗時段甚至不需要加沙，所以放沙支管極易堵塞而影響試驗，或在電磁流量計5-4中有一定的沙漿淤積而影響流量檢測，給實際操作帶來不便。
發明內容
本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種用於河工模型試驗的懸移質加沙裝置，該裝置可實現供沙系統不堵塞、旁通管和回流管的回流攪拌沙漿池，且保證在任何試驗條件下加沙孔口均不淤堵；可對加沙流量進行精確計量，並能實現加沙的全自動控制。
本發明提出的一種用於河工模型試驗的懸移質加沙裝置，主要包括供沙動力系統、放沙裝置、供沙管和回流管；其特徵在於，該裝置還包括集成自動控制系統；其中，供沙動力系統的進出口與放沙裝置通過供沙管和回流管連接成懸移質沙漿輸運迴路；集成自動控制系統通過控制線與供沙動力系統以及放沙裝置相連，對該供沙動力系統和放沙裝置進行懸移質沙漿輸運過程的監控和調節。所述的放沙裝置包括輸沙主管及套於該輸沙主管上的套筒，以及安裝在該輸沙主管兩端的兩個流量計、連接在該套筒一端的驅動該套筒相對於輸沙主管轉動的電機；所述的輸沙主管的管壁上開有放沙孔，在套筒與輸沙主管的放沙孔相對應位置上的管壁上也開有放沙孔，使得在套筒轉動過程中，輸沙主管的放沙孔與套筒的放沙孔組合，形成各種開度的放沙通孔(從關閉至最大開度)。所述供沙動力系統主要由沙漿池、水泵、懸沙濃度計和旁通管及其閥門組成；其中，水泵的出口端與供沙管相連，水泵的入口端插入到沙漿池中；旁通管和懸沙濃度計依次安裝在供沙管的管路上；旁通管中間段安裝閥門，旁通管的另一端插入到沙漿池中；回流管的一端插入到沙漿池中。本發明的技術特點及有益效果本發明的特點在於通過同心圓加沙孔設計保證了加沙流量的穩定性，解決了加沙流量小或不加沙時的堵塞問題；通過自動控制系統實現懸移質加沙量的全自動調節和精確施放。本發明可實現供沙系統不堵塞、旁通管和回流管的回流攪拌沙漿池，且保證在任何試驗條件下加沙孔口均不淤堵；可對加沙流量進行精確計量，並能實現加沙的全自動控制。
圖1為傳統的懸移質加沙裝置的加沙方式示意圖；圖2為傳統懸移質加沙系統中放沙管嘴形式的放沙裝置示意圖；圖3為傳統懸移質加沙系統中支管形式的放沙裝置示意圖；圖4為本發明的一種河工模型試驗的懸移質加沙裝置的實施例總體結構示意圖；圖5為本發明的一種河工模型試驗的懸移質加沙裝置的供沙動力系統示意圖；圖6為本發明的一種河工模型試驗的懸移質加沙裝置的放沙裝置示意圖；圖7為本發明的一種河工模型試驗的懸移質加沙裝置的集成自動控制系統示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖及實施例對本發明的一種用於河工模型試驗的懸移質加沙裝置進行詳細說明。本發明提出的用於河工模型試驗的懸移質加沙裝置，主要包括供沙動力系統、放沙裝置、供沙管和回流管；其特徵在於，該裝置還包括集成自動控制系統；其中，供沙動力系統的進出口與放沙裝置通過供沙管和回流管連接成懸移質沙漿輸運迴路；集成自動控制系統通過控制線與供沙動力系統以及放沙裝置相連，對該供沙動力系統和放沙裝置進行懸移質沙漿輸運過程的監控和調節。所述的放沙裝置包括輸沙主管及套於該輸沙主管上的套筒，以及安裝在該輸沙主管兩端的兩個流量計、連接在該套筒一端的驅動該套筒相對於輸沙主管轉動的電機；所述的輸沙主管的管壁上開有放沙孔，在套筒與輸沙主管的放沙孔相對應位置上的管壁上也開有放沙孔，使得在套筒轉動過程中，輸沙主管的放沙孔與套筒的放沙孔組合，形成各種開度的放沙通孔(從關閉至最大開度)。本發明提出的用於河工模型試驗的懸移質加沙裝置的一種實施例結構如圖4所示，該實施例主要包括供沙動力系統20、放沙裝置21、集成自動控制系統23，以及將供沙動力系統與放沙裝置連接成懸移質沙漿輸運迴路的供沙管4和回流管6 ；其中，供沙動力系統 20主要由沙漿池8、水泵9、懸沙濃度計10和旁通管11及其閥門12組成，放沙裝置21主要由一對電磁流量計13和14、輸沙主管19、輸沙主管套筒15及驅動齒輪16和步進電機17裝置組成，集成自動控制系統23為一臺計算機18，計算機18通過信號線22連接，信號線22 分別與懸沙濃度計10、兩個電磁流量計13和14，以及步進電機17連接。放沙裝置21放置在河工模型上方。上述裝置各部分的具體實施方式
及功能結合各附圖分別說明如下本裝置的供沙動力系統主要由沙漿池8、水泵9、懸沙濃度計10和旁通管11及其閥門12組成，各組成部分的型號規格根據試驗規模選定，其結構如圖5所示。其中，水泵9 的出口端與供沙管4相連，水泵的入口端插入到沙漿池8中；沿供沙管4的管路依次安裝旁通管11和懸沙濃度計10，供沙管4末端與放沙裝置21入口連接(圖中未示出)，回流管6 的一端插入到沙漿池8中，回流管6的另一端與放沙裝置出口連接(圖中未示出)；旁通管中間段安裝閥門12，旁通管的另一端插入到沙漿池8中。在試驗過程中，水泵將沙漿池8中的沙漿抽入供水管4，沙漿經懸沙濃度計10測定濃度後進入放沙裝置，部分沙漿經過放沙裝置加入河工模型後，剩餘部分通過閉合的回流管6再回到沙漿池8，安裝在供沙管4入口段的旁通管11可以調節供沙管4的流量，將部分沙漿直接返回沙漿池，用於攪動沙漿；為防止供沙管4及回流管6淤積，水泵9的轉速應滿足管內沙漿運動速度大於2倍模型沙起動流速。本實施例選用的水泵為200HW-12S型調頻電機驅動的高揚程水泵(功率22KW，流量270m3/h，揚程135m)，供沙管4及回流管6為外徑 IOOmm的無縫鋼管，懸沙濃度計為RS-1000。本發明也可採用能實現上述功能的其它結構的供沙動力系統。本實施例的放沙裝置包括一對電磁流量計13和14、輸沙主管19、輸沙主管套筒15 及驅動齒輪16和步進電機17裝置，該裝置的結構是實現本發明目的關鍵部件；其結構如圖 6所示。其中，電磁流量計13入口與供沙管4連接，出口與輸沙主管19入口連接，輸沙主管19出口與電磁流量計14入口相連，電磁流量計14出口與回流管6連接，使得整個管路構成封閉迴路；輸沙主管19中間段位於河工模型進口段的上方，並在其底部設開有放沙孔 19-1用於將輸沙主管19的沙放入到河工模型進口段中；同心圓環套筒15與輸沙主管開孔 19-1段外壁緊密結合但可以轉動，套筒15外壁開有放沙孔15-1，孔口位置與大小均與輸沙主管上的開有的放沙孔19-1相同，套筒15的任意端(圖中示例為左端)與驅動齒輪16咬合，該齒輪16由調速電機17驅動。本實施例的輸沙主管19與供沙管4及回流管6相同為外徑IOOmm的無縫鋼管，輸沙主管19放沙孔直徑為50mm，同心圓環套筒15也為無縫鋼管，內徑略大於IOOmm ；兩個電磁流量計均採用KDLD-50，步進電機型號為57BYG009-04JG。試驗過程中，沙漿通過放沙孔15-1與19-1的重疊部分形成的通孔在重力作用下加入模型河道中，兩孔重疊部分的大小可以通過步進電機17帶動套筒15旋轉，進而改變放沙孔15-1與19-1的相對位置進行調節，實際加入模型河道中的沙漿量則可以通過讀取電磁流量計13和14的讀數差進行計算。由於在輸沙主管19底部直接開孔，懸移質泥沙通過調節後的孔口直接對河工模型進口進行沙漿施放，因此避免了加沙孔口的淤堵問題。本實施例的集成自動控制系統由計算機18和信號線22組成，計算機18通過內設的AD轉化卡與信號線22連接，信號線22末端分別與懸沙濃度計10、電磁流量計13和14 以及步進電機17連接。如圖7所示；計算機內還預設有對懸沙濃度計10、電磁流量計13 和14以及步進電機17進行操作的控制程序。本裝置的計算機為普通個人計算機，計算機配置滿足CPU性能不低於Intel奔騰4處理器、內存不低於512M、主板配備標準PCI插槽、 作業系統版本不低於Windows XP即可，主板PIC插槽上安裝AD轉換卡，計算機內的控制程序根據試驗要求採用常規技術編制而成。試驗過程中，計算機18採集懸沙濃度計10的含沙量從而計算出放沙裝置所要施放的沙漿流量，通過監控電磁流量計13和14的差值來控制步進電機17來調節放沙裝置的孔口開度，電磁流量計13和14的差值等於剛剛計算的放沙裝置所要施放的沙漿流量時，孔口開度調節完畢，這一過程實現了加沙的全自動控制，同時也保證了加沙的精確度。本實施例的一種河工模型試驗的推移質加沙裝置的具體工作方式為如圖4所示，高揚程的水泵9抽取沙漿池8中的沙漿使其在供沙管4和回流管6組成的閉合迴路中以較高的速度流動。計算機18通過懸沙濃度計10採集沙漿的含沙量數據，計算出放沙裝置21需要施放的沙漿流量，自動控制放沙裝置中套筒齒輪驅動電機17進行輸沙主管放沙孔19-1與套筒放沙孔15-1相對位置形成的通孔大小的調節，直至套筒15兩端的電磁流量計13和14的差值等於剛才計算的放沙裝置21需要施放的沙漿流量為止，供沙管4通過放沙裝置21的剩餘沙漿再通過回流管6返回沙漿池8。經過旁通管11的部分沙漿則不經過放沙裝置21直接返回沙漿池8，和通過回流管6返回的沙漿一起對沙漿池內的沙漿進行再次攪拌。上述實施例的具體結構及尺寸均用於舉例說明本發明裝置的一個具體實現方式， 並不用以限定本發明所保護的技術方案，凡是在上述實施例的基礎上對其具體組成的替換、變化或增加班費均應仍屬於本發明保護範疇內。
權利要求
1.一種用於河工模型試驗的懸移質加沙裝置，主要包括供沙動力系統、放沙裝置、供沙管和回流管；其特徵在於，該裝置還包括集成自動控制系統；其中，供沙動力系統的進出口與放沙裝置通過供沙管和回流管連接成懸移質沙漿輸運迴路；集成自動控制系統通過控制線與供沙動力系統以及放沙裝置相連，對該供沙動力系統和放沙裝置進行懸移質沙漿輸運過程的監控和調節。
2.如權利要求1所述裝置，其特徵在於，所述的放沙裝置包括輸沙主管及套於該輸沙主管上的套筒，以及安裝在該輸沙主管兩端的兩個流量計、連接在該套筒一端的驅動該套筒相對於輸沙主管轉動的電機；所述的輸沙主管的管壁上開有放沙孔，在套筒與輸沙主管的放沙孔相對應位置上的管壁上也開有放沙孔，使得在套筒轉動過程中，輸沙主管的放沙孔與套筒的放沙孔組合，形成各種開度的放沙通孔。
3.如權利要求1所述裝置，其特徵在於，所述供沙動力系統主要由沙漿池、水泵、懸沙濃度計和旁通管及其閥門組成；其中，水泵的出口端與供沙管相連，水泵的入口端插入到沙漿池中；旁通管和懸沙濃度計依次安裝在供沙管的管路上；旁通管中間段安裝閥門，旁通管的另一端插入到沙漿池中；回流管的一端插入到沙漿池中。
全文摘要
本發明涉及一種用於河工模型試驗的懸移質加沙裝置，屬於水利試驗領域，該裝置主要包括供沙動力系統、放沙裝置、供沙管和回流管；其特徵在於，該裝置還包括集成自動控制系統；其中，供沙動力系統的進出口與放沙裝置通過供沙管和回流管連接成懸移質沙漿輸運迴路；集成自動控制系統通過控制線與供沙動力系統以及放沙裝置相連，對該供沙動力系統和放沙裝置進行懸移質沙漿輸運過程的監控和調節。該裝置可實現供沙系統不堵塞、旁通管和回流管的回流攪拌沙漿池，且保證在任何試驗條件下加沙孔口均不淤堵；可對加沙流量進行精確計量，並能實現加沙的全自動控制。
文檔編號E02B1/02GK102493390SQ201110454259
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者任海濤, 姜曉明, 李丹勳, 李健, 王興奎, 陳啟剛 申請人:清華大學