[发明专利]温差-泥沙耦合异重流模拟试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种水库异重流模拟试验系统，特别涉及一种水利工程中水库温差-泥沙耦合异重流模拟试验系统，属于水利水电工程设施领域。

背景技术

两种或者两种以上比重相差不大、可以相混的流体，因比重的差异而发生的相对运动，即如果一种流体沿着交界面的方向流动，在流动过程中不与其它流体发生全局性掺混现象的流动称为异重流。水库水温在一年中的高温季节如夏、秋两季经常会产生垂向水温分层现象，其温度的不同造成水体的密度在垂向出现差异，当泥沙异重流进入到这种水体后，由于受浮力差的影响，异重流的运动会受到水库自身密度差的影响。这种现象在国内外的水库也有相关记录，如美国Mead湖，由于水库自身的水温分层，使得来流含沙水体在水库中形成了在中层行进的异重流现象。在国内的新安江水库，研究者通过对水体浊度分析也曾观测到坝前中层较表层和底层水体更浑浊的现象。

随着中国水电建设迅猛发展，水库大量出现，特别是水能资源丰富的西南地区。而这一地区的含沙量较低，据资料记载平均在1kg/m³，这种低含沙量的水体在水库形成异重流之后就特别容易受到水库自身垂向水温分层的影响。因此，在对这些地区进行异重流分析时，必须要结合温度来分析。目前，这方面问题已经开始得到许多研究者的关注和研究。90年代，李怀恩就根据冯家山水库的实测资料分析了泥沙异重流对水库垂向水温结构的影响（泥沙异重流对水库水温分布的影响--实例分析，李怀恩）。近年来，水温分层水槽试验已经在室内成功实现，高学平等利用水槽实现了水温分层水库的室内试验，并对水电站多层取水进行了研究。但对影响水温分层的室内研究较少，张小峰，曹巧丽等曾利用高锰酸钾溶液成功模拟了水温分层环境下的异重流室内试验研究[《分层水库异重流试验》，武汉大学学报工学版，2011.8月，第44卷第四期]，分析了由污染物引起的异重流在水温分层环境中的运动情况。现有温差异重流研究中对室内异重流实验的监测技术还亟待提高，为了更准确全面的认识和探讨温差异重流的水动力学特性，因此，有必要对温差-泥沙耦合异重流的进一步研究与分析，以实施监测异重流各断面的流速、温度垂线分布等技术问题。

目前，通过物理模型试验，不仅可为温差异重流理论分析提供定量数据，也是解决工程中异重流课题的重要手段，而模型规律问题是进行异重流实验的关键问题。利用异重流特性，在水库减淤，给水排水工程设计与运用等方面可获得很大效益。在多沙河流上修建蓄水水库和水电站时，设置排沙洞底孔解决水库泥沙问题，合理运用在库底运动的浑水异重流可把泥沙排走，减少水库淤积，是水库减淤的主要措施；在给水工程中，根据异重流特性设计沉淀池，有利于泥沙落淤，可获得较好的水质。由于温度差异所造成的密度差异有限，且温控措施较困难，因此在实验室的小尺度下模拟相对大尺度水库的稳定温度分层环境并对分层强度进行控制一直都是研究难题。

 通过概化模型模拟试验对温差-泥沙异重流的运动特性进行研究，通过试验工况中的水温分层现象，获得了中层和底层出口下的垂向水温分布，分离点深度和间层流厚度等数据，为水温分层环境下的水库泥沙异重流的试验研究奠定了基础，主要通过以下三点来实现：

1、通过加热装置和合理的加热方式，在实验室内较好地模拟了水库水体的温度分层。但这种研究也只局限于温度异重流，并没有综合考虑泥沙对异重流的影响。

2、通过室内水槽实验来模拟泥沙异重流主要是因为受现有观测手段的限制，室外原型观测水温对分层环境下的泥沙异重流的影响有较大难度。国内外的研究表明，实验室利用水槽进行泥沙异重流的试验较为成熟，泥沙本身的特性决定了浑水异重流在水温分层水体中的运动问题的复杂性，包括泥沙颗粒本身的沉降问题；泥沙异重流遇到水温分层水体后的稳定性问题；离底点与潜入点的清混水掺混现象等；中、表层异重流前锋形状；异重流垂向扩散问题以及环境水体温度受泥沙异重流的作用等问题都需要通过实验数据来分析和解决。

3、国内外对温差-泥沙异重流的实验研究还比较少，因此对温差和泥沙异重流的耦合性还应该作进一步的研究与分析.

发明内容

本发明的目的正是针对现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种温差-泥沙耦合异重流模拟实验系统。该模拟实验系统结构简单，操作使用方便；通过该模拟实验系统减少了以往在异重流试验阶段加热装置对水槽内流场的干扰，成功实现了泥沙异重流在水温分层水体的运动过程；不仅实现了水温垂向分层影响下，泥沙异重流在水槽中层与表层行进的特有现象，而且还能提高对异重流分析与研究的可靠性和准确性。

为实现本发明的目的，本发明是采用由以下措施构成的技术方案来实现的。