專利名稱：一種河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利試驗(yàn)領(lǐng)域，特別涉及河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置。
背景技術(shù)：
懸浮于水體中隨水流一起向下游運(yùn)動(dòng)的泥沙顆粒稱為懸移質(zhì)泥沙。在天然河流中，懸移質(zhì)泥沙含量占總泥沙量的比例一般在80%以上。河工模型試驗(yàn)作為河流研究的重要手段，懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)的模擬至關(guān)重要。為在河工模型試驗(yàn)中準(zhǔn)確模擬懸移質(zhì)泥沙的運(yùn)動(dòng)過程，需要建立水沙分離系統(tǒng)，即在河工模型進(jìn)口施放水流流量過程，同時(shí)通過懸移質(zhì)加沙裝置加入懸移質(zhì)泥沙。加沙時(shí)，首先根據(jù)河工模型設(shè)計(jì)確定在某級(jí)水流流量下需要加入的懸移質(zhì)加沙量，通過懸移質(zhì)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(jìn)口，與水流充分摻混后進(jìn)入河工模型試驗(yàn)段以正確模擬水沙的運(yùn)動(dòng)過程。目前，河工模型進(jìn)口的水流流量過程控制已有成熟的技術(shù)，但懸移質(zhì)沙漿的加沙方法則各個(gè)模型不盡相同。傳統(tǒng)的精度較高的懸移質(zhì)加沙系統(tǒng)為泵吸式回路加沙裝置。泵吸式回路加沙裝置，如圖1所示，主要由沙漿池1、水泵2、穩(wěn)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(yáng)程水泵2將沙漿池1中的高濃度沙漿抽至高處的穩(wěn)流塔3，從塔中引出供沙管4，在河工模型進(jìn)口 7進(jìn)行放沙操作后剩余的沙漿通過回流管6再回到沙漿池1，從而使沙漿以較高的流速在整個(gè)加沙裝置中循環(huán)。根據(jù)放沙裝置5的不同，又可以進(jìn)一步將泵吸式回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(jié)構(gòu)如圖2所示，由多個(gè)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(duì)應(yīng)的小孔對(duì)接，短管下端為閥門5-2。試驗(yàn)過程中，需要事先在一定的壓力下標(biāo)定各個(gè)短管管嘴的流量，根據(jù)河工模型的要求采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(fā)生變化，還會(huì)影響短管管嘴標(biāo)定的流量。支管放沙裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，由一根直徑與供沙管4相當(dāng)?shù)闹Ч?-3，電磁流量計(jì)5-4和電動(dòng)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(jì)5-4，下端安裝電動(dòng)閥門5-5。放沙時(shí)，沙漿在重力作用下從支管4 下端流出，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門5-5的開度控制沙漿流量的大小。在試驗(yàn)過程中，一般均是主管流量很大，支管流量相對(duì)很小(對(duì)應(yīng)的流速亦很小)，有的試驗(yàn)時(shí)段甚至不需要加沙，所以放沙支管極易堵塞而影響試驗(yàn)，或在電磁流量計(jì)5-4中有一定的沙漿淤積而影響流量檢測(cè)，給實(shí)際操作帶來不便。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種用于河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)供沙系統(tǒng)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(yàn)條件下加沙孔口均不淤堵；可對(duì)加沙流量進(jìn)行精確計(jì)量，并能實(shí)現(xiàn)加沙的全自動(dòng)控制。
本發(fā)明提出的一種用于河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置，主要包括供沙動(dòng)力系統(tǒng)、放沙裝置、供沙管和回流管；其特征在于，該裝置還包括集成自動(dòng)控制系統(tǒng)；其中，供沙動(dòng)力系統(tǒng)的進(jìn)出口與放沙裝置通過供沙管和回流管連接成懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)回路；集成自動(dòng)控制系統(tǒng)通過控制線與供沙動(dòng)力系統(tǒng)以及放沙裝置相連，對(duì)該供沙動(dòng)力系統(tǒng)和放沙裝置進(jìn)行懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)過程的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。所述的放沙裝置包括輸沙主管及套于該輸沙主管上的套筒，以及安裝在該輸沙主管兩端的兩個(gè)流量計(jì)、連接在該套筒一端的驅(qū)動(dòng)該套筒相對(duì)于輸沙主管轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)；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(duì)應(yīng)位置上的管壁上也開有放沙孔，使得在套筒轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)閉至最大開度)。所述供沙動(dòng)力系統(tǒng)主要由沙漿池、水泵、懸沙濃度計(jì)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(jì)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(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)及有益效果本發(fā)明的特點(diǎn)在于通過同心圓加沙孔設(shè)計(jì)保證了加沙流量的穩(wěn)定性，解決了加沙流量小或不加沙時(shí)的堵塞問題；通過自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)懸移質(zhì)加沙量的全自動(dòng)調(diào)節(jié)和精確施放。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)供沙系統(tǒng)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(yàn)條件下加沙孔口均不淤堵；可對(duì)加沙流量進(jìn)行精確計(jì)量，并能實(shí)現(xiàn)加沙的全自動(dòng)控制。
圖1為傳統(tǒng)的懸移質(zhì)加沙裝置的加沙方式示意圖；圖2為傳統(tǒng)懸移質(zhì)加沙系統(tǒng)中放沙管嘴形式的放沙裝置示意圖；圖3為傳統(tǒng)懸移質(zhì)加沙系統(tǒng)中支管形式的放沙裝置示意圖；圖4為本發(fā)明的一種河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置的實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的一種河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置的供沙動(dòng)力系統(tǒng)示意圖；圖6為本發(fā)明的一種河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置的放沙裝置示意圖；圖7為本發(fā)明的一種河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置的集成自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的一種用于河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明提出的用于河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置，主要包括供沙動(dòng)力系統(tǒng)、放沙裝置、供沙管和回流管；其特征在于，該裝置還包括集成自動(dòng)控制系統(tǒng)；其中，供沙動(dòng)力系統(tǒng)的進(jìn)出口與放沙裝置通過供沙管和回流管連接成懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)回路；集成自動(dòng)控制系統(tǒng)通過控制線與供沙動(dòng)力系統(tǒng)以及放沙裝置相連，對(duì)該供沙動(dòng)力系統(tǒng)和放沙裝置進(jìn)行懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)過程的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。所述的放沙裝置包括輸沙主管及套于該輸沙主管上的套筒，以及安裝在該輸沙主管兩端的兩個(gè)流量計(jì)、連接在該套筒一端的驅(qū)動(dòng)該套筒相對(duì)于輸沙主管轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)；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(duì)應(yīng)位置上的管壁上也開有放沙孔，使得在套筒轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)閉至最大開度)。本發(fā)明提出的用于河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖4所示，該實(shí)施例主要包括供沙動(dòng)力系統(tǒng)20、放沙裝置21、集成自動(dòng)控制系統(tǒng)23，以及將供沙動(dòng)力系統(tǒng)與放沙裝置連接成懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)回路的供沙管4和回流管6 ；其中，供沙動(dòng)力系統(tǒng) 20主要由沙漿池8、水泵9、懸沙濃度計(jì)10和旁通管11及其閥門12組成，放沙裝置21主要由一對(duì)電磁流量計(jì)13和14、輸沙主管19、輸沙主管套筒15及驅(qū)動(dòng)齒輪16和步進(jìn)電機(jī)17裝置組成，集成自動(dòng)控制系統(tǒng)23為一臺(tái)計(jì)算機(jī)18，計(jì)算機(jī)18通過信號(hào)線22連接，信號(hào)線22 分別與懸沙濃度計(jì)10、兩個(gè)電磁流量計(jì)13和14，以及步進(jìn)電機(jī)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(shí)施方式
及功能結(jié)合各附圖分別說明如下本裝置的供沙動(dòng)力系統(tǒng)主要由沙漿池8、水泵9、懸沙濃度計(jì)10和旁通管11及其閥門12組成，各組成部分的型號(hào)規(guī)格根據(jù)試驗(yàn)規(guī)模選定，其結(jié)構(gòu)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(jì)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(yàn)過程中，水泵將沙漿池8中的沙漿抽入供水管4，沙漿經(jīng)懸沙濃度計(jì)10測(cè)定濃度后進(jìn)入放沙裝置，部分沙漿經(jīng)過放沙裝置加入河工模型后，剩余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(diào)節(jié)供沙管4的流量，將部分沙漿直接返回沙漿池，用于攪動(dòng)沙漿；為防止供沙管4及回流管6淤積，水泵9的轉(zhuǎn)速應(yīng)滿足管內(nèi)沙漿運(yùn)動(dòng)速度大于2倍模型沙起動(dòng)流速。本實(shí)施例選用的水泵為200HW-12S型調(diào)頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高揚(yáng)程水泵(功率22KW，流量270m3/h，揚(yáng)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(jì)為RS-1000。本發(fā)明也可采用能實(shí)現(xiàn)上述功能的其它結(jié)構(gòu)的供沙動(dòng)力系統(tǒng)。本實(shí)施例的放沙裝置包括一對(duì)電磁流量計(jì)13和14、輸沙主管19、輸沙主管套筒15 及驅(qū)動(dòng)齒輪16和步進(jìn)電機(jī)17裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的關(guān)鍵部件；其結(jié)構(gòu)如圖 6所示。其中，電磁流量計(jì)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(jì)14入口相連，電磁流量計(jì)14出口與回流管6連接，使得整個(gè)管路構(gòu)成封閉回路；輸沙主管19中間段位于河工模型進(jìn)口段的上方，并在其底部設(shè)開有放沙孔 19-1用于將輸沙主管19的沙放入到河工模型進(jìn)口段中；同心圓環(huán)套筒15與輸沙主管開孔 19-1段外壁緊密結(jié)合但可以轉(zhuǎn)動(dòng)，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(qū)動(dòng)齒輪16咬合，該齒輪16由調(diào)速電機(jī)17驅(qū)動(dòng)。本實(shí)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(huán)套筒15也為無縫鋼管，內(nèi)徑略大于IOOmm ；兩個(gè)電磁流量計(jì)均采用KDLD-50，步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為57BYG009-04JG。試驗(yàn)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(jìn)電機(jī)17帶動(dòng)套筒15旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變放沙孔15-1與19-1的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)際加入模型河道中的沙漿量則可以通過讀取電磁流量計(jì)13和14的讀數(shù)差進(jìn)行計(jì)算。由于在輸沙主管19底部直接開孔，懸移質(zhì)泥沙通過調(diào)節(jié)后的孔口直接對(duì)河工模型進(jìn)口進(jìn)行沙漿施放，因此避免了加沙孔口的淤堵問題。本實(shí)施例的集成自動(dòng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)18和信號(hào)線22組成，計(jì)算機(jī)18通過內(nèi)設(shè)的AD轉(zhuǎn)化卡與信號(hào)線22連接，信號(hào)線22末端分別與懸沙濃度計(jì)10、電磁流量計(jì)13和14 以及步進(jìn)電機(jī)17連接。如圖7所示；計(jì)算機(jī)內(nèi)還預(yù)設(shè)有對(duì)懸沙濃度計(jì)10、電磁流量計(jì)13 和14以及步進(jìn)電機(jī)17進(jìn)行操作的控制程序。本裝置的計(jì)算機(jī)為普通個(gè)人計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)配置滿足CPU性能不低于Intel奔騰4處理器、內(nèi)存不低于512M、主板配備標(biāo)準(zhǔn)PCI插槽、 操作系統(tǒng)版本不低于Windows XP即可，主板PIC插槽上安裝AD轉(zhuǎn)換卡，計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制程序根據(jù)試驗(yàn)要求采用常規(guī)技術(shù)編制而成。試驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)18采集懸沙濃度計(jì)10的含沙量從而計(jì)算出放沙裝置所要施放的沙漿流量，通過監(jiān)控電磁流量計(jì)13和14的差值來控制步進(jìn)電機(jī)17來調(diào)節(jié)放沙裝置的孔口開度，電磁流量計(jì)13和14的差值等于剛剛計(jì)算的放沙裝置所要施放的沙漿流量時(shí)，孔口開度調(diào)節(jié)完畢，這一過程實(shí)現(xiàn)了加沙的全自動(dòng)控制，同時(shí)也保證了加沙的精確度。本實(shí)施例的一種河工模型試驗(yàn)的推移質(zhì)加沙裝置的具體工作方式為如圖4所示，高揚(yáng)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組成的閉合回路中以較高的速度流動(dòng)。計(jì)算機(jī)18通過懸沙濃度計(jì)10采集沙漿的含沙量數(shù)據(jù)，計(jì)算出放沙裝置21需要施放的沙漿流量，自動(dòng)控制放沙裝置中套筒齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)17進(jìn)行輸沙主管放沙孔19-1與套筒放沙孔15-1相對(duì)位置形成的通孔大小的調(diào)節(jié)，直至套筒15兩端的電磁流量計(jì)13和14的差值等于剛才計(jì)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的剩余沙漿再通過回流管6返回沙漿池8。經(jīng)過旁通管11的部分沙漿則不經(jīng)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(duì)沙漿池內(nèi)的沙漿進(jìn)行再次攪拌。上述實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)及尺寸均用于舉例說明本發(fā)明裝置的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)方式， 并不用以限定本發(fā)明所保護(hù)的技術(shù)方案，凡是在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上對(duì)其具體組成的替換、變化或增加班費(fèi)均應(yīng)仍屬于本發(fā)明保護(hù)范疇內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置，主要包括供沙動(dòng)力系統(tǒng)、放沙裝置、供沙管和回流管；其特征在于，該裝置還包括集成自動(dòng)控制系統(tǒng)；其中，供沙動(dòng)力系統(tǒng)的進(jìn)出口與放沙裝置通過供沙管和回流管連接成懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)回路；集成自動(dòng)控制系統(tǒng)通過控制線與供沙動(dòng)力系統(tǒng)以及放沙裝置相連，對(duì)該供沙動(dòng)力系統(tǒng)和放沙裝置進(jìn)行懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)過程的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述的放沙裝置包括輸沙主管及套于該輸沙主管上的套筒，以及安裝在該輸沙主管兩端的兩個(gè)流量計(jì)、連接在該套筒一端的驅(qū)動(dòng)該套筒相對(duì)于輸沙主管轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)；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(duì)應(yīng)位置上的管壁上也開有放沙孔，使得在套筒轉(zhuǎn)動(dòng)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(quán)利要求1所述裝置，其特征在于，所述供沙動(dòng)力系統(tǒng)主要由沙漿池、水泵、懸沙濃度計(jì)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(jì)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(fā)明涉及一種用于河工模型試驗(yàn)的懸移質(zhì)加沙裝置，屬于水利試驗(yàn)領(lǐng)域，該裝置主要包括供沙動(dòng)力系統(tǒng)、放沙裝置、供沙管和回流管；其特征在于，該裝置還包括集成自動(dòng)控制系統(tǒng)；其中，供沙動(dòng)力系統(tǒng)的進(jìn)出口與放沙裝置通過供沙管和回流管連接成懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)回路；集成自動(dòng)控制系統(tǒng)通過控制線與供沙動(dòng)力系統(tǒng)以及放沙裝置相連，對(duì)該供沙動(dòng)力系統(tǒng)和放沙裝置進(jìn)行懸移質(zhì)沙漿輸運(yùn)過程的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。該裝置可實(shí)現(xiàn)供沙系統(tǒng)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(yàn)條件下加沙孔口均不淤堵；可對(duì)加沙流量進(jìn)行精確計(jì)量，并能實(shí)現(xiàn)加沙的全自動(dòng)控制。
文檔編號(hào)E02B1/02GK102493390SQ201110454259
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者任海濤, 姜曉明, 李丹勛, 李健, 王興奎, 陳啟剛 申請(qǐng)人:清華大學(xué)