專利名稱：懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及河工模型懸沙試驗中泥沙濃度場模擬的系統(tǒng)及方法，尤其涉 及大型潮汐河工模型多斷面泥沙場分布式模擬方法及系統(tǒng)。
背景技術：
河工模型懸沙試驗的加沙方式，可分為人工加沙和自動控制兩類。 人工加沙是在加沙循環(huán)管上開設一定數(shù)量大小不同的孔口 ，通過人工調 節(jié)各孔口開度和組合來控制模型的進口加沙量。這種方法不僅加沙精度低， 而且受人為干擾因素多。特別是在潮汐河工模型中，斷面加沙量要求隨潮汐 水流適時變化，傳統(tǒng)加沙方法精度更加不濟。
自動控制的加沙系統(tǒng)以微型計算機為控制中心，通過程序運行來調節(jié)閥 門的開度，達到控制加沙量的目的。這些加沙系統(tǒng)的控制對象多是單個執(zhí)行 單元，主要用于單斷面局部泥沙場的模擬。對于廣流域多斷面的懸沙模型試 驗來說，需要在多個斷面上適時施加與天然泥沙場對應數(shù)量的懸沙，而同一 時刻不同斷面上的泥沙含量一般不相等。因此，單執(zhí)行單元的自動加沙系統(tǒng) 即使改裝成多執(zhí)行的系統(tǒng)，也難以滿足多斷面懸沙模型試驗對各斷面加沙量 適時變化的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種在大型潮汐河工模型上進行多斷面泥沙場模擬的的系統(tǒng) 和方法，實現(xiàn)了自動控制。
本發(fā)明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現(xiàn) 懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)，包括攪拌系統(tǒng)、投沙系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三 個部分組成。所述攪拌系統(tǒng)包括攪拌池、排污泵、電磁閥、液面控制器、 攪拌桶；通過管路，攪拌池與排污泵連接、排污泵與電磁閥連接、電磁閥與 攪拌桶連接，設置于攪拌桶內的液面控制器電磁閥電氣連接。所述投沙系統(tǒng)與攪拌系統(tǒng)連通，所述投沙系統(tǒng)包括變頻器、增壓泵、投沙器；增壓泵、 投沙器通過管路與所述攪拌桶連接，變頻器與增壓泵電氣連接。所述控制系 統(tǒng)包含計算機，所述計算機控制地連接所述變頻器。
為了實現(xiàn)加沙桶的液面高度得到自動控制，所述液面?zhèn)鞲衅髋c排污泵連 接成負反饋控制形式，保證攪拌桶內沙水量減少時能及時補充，過量時能及 時排放。
為實現(xiàn)攪拌功能，上述攪拌池和攪拌桶裝有由電機驅動的攪拌設備。 所述攪拌池設置于室外。
另外，攪拌池還設有往攪拌池輸入清水并裝有水表的加水管。 為方便攪拌桶移動和放置，所述攪拌桶底部裝有滾動支架。 根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，即懸沙模型試驗分布加沙方法，該方法包括 首先對投沙器出口流量進行率定，以確定計算機指令變頻器不同頻率時
投沙器的出流量大小，率定時由計算機發(fā)送控制脈沖給變頻器，不同的頻率
對應不同的的出口流量，即可建立頻率與出口流量關系曲線，將該曲線輸入
計算機供插值使用；
然后，根據(jù)模型加沙斷面實際清水流量及實測含沙量過程進行概化，通
過模型比尺計算出各時段模型的加沙量；
加沙池含沙量濃度一定，可確定各潮時加沙管的出流量，經率定曲線可
查得加沙管出口流量對應的頻率，將頻率與對應的各級流量的延時時間輸入
到計算機數(shù)據(jù)文件中保存；
試驗開始時，調出此文件，實現(xiàn)對模型加沙實時自動控制。
有益效果本發(fā)明在實際應用中穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)并滿足了多斷面懸沙模
型試驗對各斷面加沙量的要求，成功地解決了模型加沙的自動控制問題，控
制精度高，有效降低了相關操作人員的工作強度，為大尺度河工模型懸移質
自動加沙提供了切實可行的新方法，適當改進后可推廣各類非恒定流和恒定
流模型中。


圖1為本發(fā)明的懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)的設備流程示意圖；圖2為本發(fā)明的懸沙模型試驗分布加沙方法的流程示意圖。
圖中
l攪拌池、2排污泵、3電磁閥、4攪拌桶、5液面控制器、6增壓泵、7 變頻器、8投沙器、9計算機、IO閥門。
具體實施例方式
為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了 解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
參看圖l，該圖反映的是本發(fā)明其中一方面，即懸沙模型試驗分布加沙系 統(tǒng)的框圖。為實現(xiàn)多斷面的懸沙模型試驗，本實施例提供四個投沙器8，可對 四個斷面進行模擬。
攪拌池1容量較大，設置于室外，用以配制并容置含沙渾水，攪拌池1 裝有電機驅動的攪拌設備，使攪拌池1內的渾水的含沙量(濃度)保持基本
恒定，不至于攪拌池:l內的模型沙產生沉降，使得渾水的濃度不穩(wěn)定，造成 試驗的可靠性降低。另外，攪拌池1上方還設有加水管，加水管為攪拌池1 配制渾水提供清水。攪拌池1中的沙經計算定量由人工投擲，水由水表控制 經加水管適量加入。
攪拌池1通過管路連接排污泵2，攪拌池1與排污泵2之間連有閥門，排 污泵2與電磁閥3連接，電磁閥3連接攪拌桶4。
攪拌桶4內設置有液面控制器5,同樣地，為使攪拌桶4內渾水濃度穩(wěn)定， 攪拌桶4裝有電機驅動的攪拌設備。
液面控制器5連接電磁閥3，且液面控制器5控制電磁閥3的開閉，若攪 拌桶4內液面較低，龜磁閥3的進流通道打開，排污泵2打入含沙渾水；若 液面達到設定高度，電磁閥3關閉，不再進流，使攪拌桶4的液面保持基本 一致。液面高度的標準根據(jù)液面控制器5所設定。
液面控制器5與排污泵2連接成負反饋控制形式，攪拌桶4內渾水量減 少時能由排污泵2及時補充，渾水量過量時能由排污泵2及時排放。
增壓泵6分別與攪拌桶4、變頻器7、投沙器8連接，攪拌桶4與增壓泵 6連有閥門，增壓泵6受出流泵控制，通過改變增壓泵6的電源頻率，使得增壓泵6的轉速改變，繼而控制渾水的出流流量。
控制計算機9通過控制電纜與每個變頻器7連接，相應地，控制計算機9 配備有系統(tǒng)控制程序。
整個系統(tǒng)的工作過程如下根據(jù)攪拌池1中渾水消耗情況，按配比加水 加沙，始終保持池中有足夠的渾水，而且保持含沙量基本恒定；攪拌池1內 渾水通過排污泵2打入攪拌桶4;液面控制器5控制電磁閥3的開閉，使攪拌 桶4的液面保持基本一致；變頻器7控制增壓泵6的轉速，從而控制出流流 量；變頻器7控制信號則由計算機9輸出。
作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供懸沙模型試驗分布加沙方法，
包括集成了變頻器控制程序、變頻器頻率對應投沙器出流量的關系模型、 模擬加沙量文本文件的系統(tǒng)控制程序。該系統(tǒng)控制程序配備控制計算機中。
首先對投沙器出流量進行率定，以確定計算機指令變頻器不同頻率時投 沙器的出流量的大小。率定時由計算機發(fā)送控制指令給變頻器，不同的對應 不同的出流量，即可建立頻率與出流量的關系模型。將該關系模型輸入計算 機供插值使用。然后，根據(jù)模型加沙斷面實際清水流量及實測含沙量過程進 行概化，通過模型比尺計算出各時段模型的模擬加沙量。攪拌池的含沙量濃 度一定，可確定各種潮型時加沙管的出流量，經上述關系模型可査得加沙管 出流量對應的頻率，將頻率與對應的各級流量的延時時間輸入到計算機數(shù)據(jù) 文件中保存。試驗開始時，調出此文件，實現(xiàn)對模型加沙實時自動控制。
概括地講第一步，確定變頻器頻率與投沙器出口流量的關系模型；第
二步確定各時段的加沙量，根據(jù)關系模型確定相應的變頻器頻率，并保存相
應文件，即模擬加沙量的文本文件；第三步調出所述文件，實現(xiàn)自動控制。 整個過程即如圖2所示。
本發(fā)明已得以實際應用，其試驗情況如下
長江口整體河工模型，模擬河段范圍上起江陰利港，下至口外30m等深 線(北槽口)，北邊界定在蘇北嘴，南邊界定在南匯嘴，模型平面比尺為1000 ， 垂直比尺為125 ，模型面積達2萬附2。為研究長江口深水航道三期工程航
道回淤量，開展了北槽局部懸沙模型試驗，在北槽進口、出口和南北兩側共 設置了 4個加沙斷面。模型加沙采用上述自動加沙系統(tǒng)控制，加沙曲線根據(jù)各自加沙斷面處實測數(shù)據(jù)計算。根據(jù)2002年8月水文測驗，北槽縱向共有 9個懸沙測點，在模型上采用光電測沙儀和體積置換法進行含沙量測量。模 型含沙量分布與天然比較接近，模型結果與天然比較見下表
表l2002.8大潮含沙量驗證情況(單位kg/m3)
觀u點漲潮平均落潮平均
天然模型；差值百分比天然模型差值百分比
CB10.630.59-0.04-6.80.460.530.0715.4
CSO0.710.830.1216.60.490.690.2040.8
CS10.700.980.2839.30.810.890.0810.2
CB20.650.840.1929.60.60.710.1118.2
CS21.27U8-0.09-7.10.971.080.1111.6
CSW0.971.170.2020.80.610.980.3761.3
CS31.811.59-0.22-12.21.921,72-0.20-10,4
CS40.460.550.0919.60.420.580.1638.1
CS50.250.390.1456.0o.n0.14-0.03-15.1
模型各測點漲、落潮平均含沙量與天然實測結果的差值均在0. 4kg/m3以 下，按懸沙濃度加權平均進行統(tǒng)計，漲潮含沙量平均誤差為9 %，落潮含沙量 平均誤差為14%。泥沙濃度較高的測點誤差一般較小，濃度較低的測點誤差 偏大，這一結果與測量儀器的靈敏度及系統(tǒng)誤差有關，是比較合理的。含沙 量驗證最成功之處在于模型能夠復演北槽中下段含沙濃度高于進口和口外的 現(xiàn)象，模型含沙量沿北槽縱向分布規(guī)律與原型基本一致，泥沙場基本相似， 為模型的沖淤相似及航道的回淤相似創(chuàng)造了條件。說明加沙系統(tǒng)完全滿足試 驗加沙控制的精度要求，為模型試驗成果的可靠性提供了保障。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行 業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明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發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下， 本發(fā)明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發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1. 懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)，其特征在于，包括攪拌系統(tǒng)；所述攪拌系統(tǒng)包括攪拌池、排污泵、電磁閥、液面控制器、攪拌桶；攪拌池與排污泵連接、排污泵與電磁閥連接、電磁閥連接攪拌桶、設置于攪拌桶內的液面控制器控制地連接電磁閥；投沙系統(tǒng)；所述投沙系統(tǒng)與攪拌系統(tǒng)連通；所述投沙系統(tǒng)包括增壓泵、變頻器、投沙器；增壓泵與所述攪拌桶連接，增壓泵與變頻器連接，投沙器連接增壓泵；控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)包含計算機；所述計算機控制地連接所述變頻器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)，其特征在于 所述液面?zhèn)鞲衅髋c排污泵連接成負反饋控制形式。
3. 根據(jù)權利要求1所述的懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)，其特征在于 所述攪拌池和攪拌桶裝有由電機驅動的攪拌設備。
4. 根據(jù)權利要求1或權利要求3所述的懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)，其 特征在于-.所述攪拌池設置于室外。
5. 根據(jù)權利要求1、 2或3所述的懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)，其特征在于攪拌池還設有往攪拌池輸入清水的并裝有水表的加水管。
6. 根據(jù)權利要求1或3所述的懸沙模型試驗分布加沙系統(tǒng)，其特征在于所述攪拌桶底部裝有滾動支架。
7. 懸沙模型試驗分布加沙方法，其特征在于 所述方法包括首先對投沙器出口流量進行率定，以確定計算機指令變頻器不同頻率時 投沙器的出流量大小，率定時由計算機發(fā)送控制脈沖給變頻器，不同的頻率對應不同的的出口流量，即可建立頻率與出口流量關系曲線，將該曲線輸入計算機供插值使用；然后，根據(jù)模型加沙斷面實際清水流量及實測含沙量過程進行概化，通 過模型比尺計算出各時段模型的加沙量；確定各潮時加沙管的出流量，經率定曲線可查得加沙管出口流量對應的 頻率，將頻率與對應的各級流量的延時時間輸入到計算機數(shù)據(jù)文件中保存；試驗開始時，調出此文件，實現(xiàn)對模型加沙實時自動控制。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于河工泥沙模型試驗中加沙的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的系統(tǒng)包括由計算機控制的變頻器，通過變頻器頻率的改變實現(xiàn)改變投沙器出流量，在計算機的控制下對多個模型斷面分別進行自動加沙。本加沙裝置能夠滿足懸沙試驗對泥沙濃度場模擬相似的要求。實際應用后，效果良好，具有推廣價值。
文檔編號E02B1/00GK101440613SQ200710170668
公開日2009年5月27日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權日2007年11月20日
發(fā)明者吳國平, 張宏偉, 燕 馬 申請人:上海河口海岸科學研究中心