本發(fā)明屬于微生物水動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備，具體的涉及一種用于動水中藻類聚集模擬實(shí)驗(yàn)，并能夠產(chǎn)生循環(huán)水平剪切流的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

水華(algalblooms)指淡水水體中藻類大量繁殖的一種自然生態(tài)現(xiàn)象，是水體富營養(yǎng)化的一種特征，主要由于生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中含有大量氮、磷的廢污水進(jìn)入水體后，藍(lán)藻、綠藻、硅藻等大量繁殖后使水體呈現(xiàn)藍(lán)色或綠色的一種現(xiàn)象。近年來，我國很多地區(qū)，例如太湖、滇池、巢湖、洪澤湖、三峽庫區(qū)的支流，都爆發(fā)了大規(guī)模、高強(qiáng)度的“水華”現(xiàn)象。“水華”作為一種生態(tài)災(zāi)害，對公眾健康與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了諸多危害，包括威脅居民的飲用水安全，增加水質(zhì)處理成本；釋放生物毒素，通過食物鏈引發(fā)魚類、動物以及公眾的多級中毒；大量消耗溶解氧，使魚、蝦等水生物缺氧死亡，破壞水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)；散發(fā)惡臭，損害旅游、觀光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！八A”已成為我國當(dāng)前以及今后很長一段時期所關(guān)注的重大水環(huán)境問題，是國家水污染控制與治理的重點(diǎn)關(guān)注問題。

藻類聚集的水力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置是研究湖泊、水庫、河道等環(huán)境水體中“水華”生消演變過程的重要硬件平臺，對明確“水華”形成的水動力機(jī)理，建立高效的“水華”預(yù)防、控制與治理措施具有重要意義，是水利、環(huán)境、生態(tài)等科研機(jī)構(gòu)一直關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)前模擬藻類聚集的實(shí)驗(yàn)裝置主要用于反映溫度、光照、營養(yǎng)鹽對水華的影響，僅適用于靜水這種理想的水動力條件。然而，實(shí)際情況中發(fā)生“水華”的水動力條件多為動水條件，比如湖、庫、灣的風(fēng)生流，庫區(qū)主流與支流溫差引起的異重流，河道的自然流動等。動水環(huán)境與靜水環(huán)境下的水流形態(tài)存在重要差異，主要體現(xiàn)在兩方面：一是動水條件下的水流多為湍流流態(tài)，而靜水條件為非湍流流態(tài)；二是動水條件下水流具有明顯的速度分布特征。現(xiàn)有的藻類聚集模擬實(shí)驗(yàn)裝置無法反映動水的特征物理量，比如時均速度梯度、湍動能、湍動耗散率，對藻類聚集的影響，進(jìn)而無法真實(shí)模擬動水環(huán)境中“水華”的形成過程與特征規(guī)律。因此，利用能模擬異重流條件的實(shí)驗(yàn)裝置，來研究藻類聚集規(guī)律，對理解動水條件下“水華”形成演變的水動力機(jī)理，構(gòu)建科學(xué)合理的“水華”預(yù)防、控制與治理措施具有重要意義，也是當(dāng)前環(huán)境與生態(tài)水力學(xué)領(lǐng)域研究亟待解決的關(guān)鍵問題。

目前模擬剪切流的試驗(yàn)裝置有多種，例如長水槽抽離隔板式剪切流產(chǎn)生裝置，長水槽逆向供水式剪切流試驗(yàn)裝置，皮帶輪逆向運(yùn)動剪切流產(chǎn)生裝置等等。上述裝置作為垂向剪切流的試驗(yàn)裝置已在相關(guān)研究中得到廣泛應(yīng)用。這類裝置通常只能產(chǎn)生垂向剪切流，需要兩種密度不同的水體，裝置本身對試驗(yàn)水體造成擾動，水體穩(wěn)定性差，并且不利于長時間穩(wěn)定地循環(huán)運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、模擬環(huán)境真實(shí)的微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置能在環(huán)形水槽的中心環(huán)面產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的剪切流。采用本實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)長時間循環(huán)運(yùn)行的水平剪切流水力學(xué)條件，該試驗(yàn)裝置不對水體產(chǎn)生擾動，穩(wěn)定性好，并且無需配置不同密度的水體，也不會在運(yùn)行過程中對水體中的微生物產(chǎn)生傷害。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述實(shí)驗(yàn)裝置包括由兩筒型結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒、外筒同心設(shè)置構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)水槽，該水槽內(nèi)承載實(shí)驗(yàn)流體；所述內(nèi)筒和外筒由驅(qū)動裝置繞所述同心的圓點(diǎn)驅(qū)動進(jìn)行逆方向的轉(zhuǎn)動設(shè)置。

具體的講，所述內(nèi)筒和外筒為透明材料構(gòu)成的圓筒，其底部裝配在一底板上并形成動水密封結(jié)構(gòu)。

一實(shí)施方式中，所述底板為剛性底板，該底板上開設(shè)有與所述內(nèi)筒和外筒下邊緣相配合的凹槽，內(nèi)筒和外筒下邊緣裝配在該凹槽內(nèi)并與凹槽間設(shè)置有水動密封裝置。

一實(shí)施方式中，所述水動密封裝置為彈性的高分子密封膠條，所述內(nèi)筒和外筒的下邊緣為圓弧形結(jié)構(gòu)。

另一實(shí)施方式中，所述驅(qū)動裝置為驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)設(shè)置在所述內(nèi)筒和外筒的中軸線上。

一實(shí)施方式中，所述驅(qū)動裝置設(shè)置在外筒外部設(shè)置的固定支架上，一固定支架位于所述外筒的上部并固定一外筒的驅(qū)動裝置；另一固定支架位于所述內(nèi)筒的下部并固定一內(nèi)筒的驅(qū)動裝置。

再一實(shí)施方式中，所述外筒的驅(qū)動裝置驅(qū)動連接一外筒導(dǎo)力板，該外筒導(dǎo)力板徑向連接所述外筒的上部筒壁。

一實(shí)施方式中，所述內(nèi)筒的驅(qū)動裝置驅(qū)動連接一內(nèi)筒導(dǎo)力板，該內(nèi)筒導(dǎo)力板徑向連接所述內(nèi)筒的下部筒壁。

一實(shí)施方式中，所述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步包括一基座，所述底板支撐固定于所述基座上，所述固定支架也固定連接在該基座上。

又一實(shí)施方式中，所述實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步包括一沿環(huán)形結(jié)構(gòu)水槽的水平向射入光線的激光片源和一ccd相機(jī)，所述ccd相機(jī)設(shè)置在環(huán)形結(jié)構(gòu)水槽的上部。

該微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置通過環(huán)形結(jié)構(gòu)的水槽，通過外力驅(qū)動形成水槽的外筒及內(nèi)筒間的逆向轉(zhuǎn)動產(chǎn)生循環(huán)水平剪切流，該剪切流為環(huán)形水槽的中心環(huán)面產(chǎn)生的持續(xù)穩(wěn)定的剪切流，通過調(diào)節(jié)水槽內(nèi)外筒壁的轉(zhuǎn)動速度可改變環(huán)形水槽內(nèi)的剪切流的流速和流態(tài)。在進(jìn)行微生物水動力學(xué)時，在環(huán)形水槽內(nèi)加入實(shí)驗(yàn)流體及微生物，啟動驅(qū)動裝置對內(nèi)筒和外筒進(jìn)行轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制，即可逼真的模擬東水體的水體環(huán)境，利用水平向射入光線的激光片源和垂直向設(shè)置的ccd相機(jī)進(jìn)行取像和觀察采集，達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果和數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)環(huán)形水槽內(nèi)水體在內(nèi)筒和外筒轉(zhuǎn)動下的防水泄露，本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)方法采用了筒狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒和外筒，以及和內(nèi)筒、外筒進(jìn)行配合底部活動密封的底座。具體應(yīng)用中，內(nèi)筒和外筒可采用透明玻璃或玻璃鋼結(jié)構(gòu)，底座采用鋼板制作，底座上開設(shè)有與內(nèi)筒和外筒相對應(yīng)的凹槽，在凹槽內(nèi)安裝有動水密封裝置，該動水密封裝置可采用高分子密封膠條。內(nèi)筒和外筒的下邊緣設(shè)計(jì)為弧形結(jié)構(gòu)，以便于在轉(zhuǎn)動時降低與動水密封裝置件的摩擦力并緊密接觸形成水密封。內(nèi)筒和外筒采用同心圓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其轉(zhuǎn)動可采用底座上安裝固定的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，驅(qū)動電機(jī)通過支架進(jìn)行內(nèi)筒和外筒圓心位置的架設(shè)固定，兩個驅(qū)動電機(jī)分別與內(nèi)筒和外筒之間通過導(dǎo)力板進(jìn)行徑向方向的連接固定。

本發(fā)明的有益效果在于，該微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、模擬環(huán)境真實(shí)，該實(shí)驗(yàn)裝置能在環(huán)形水槽的中心環(huán)面產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的剪切流。采用本實(shí)驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)長時間循環(huán)運(yùn)行的水平剪切流水力學(xué)條件，該試驗(yàn)裝置不對水體產(chǎn)生擾動，穩(wěn)定性好，并且無需配置不同密度的水體，也不會在運(yùn)行過程中對水體中的微生物產(chǎn)生傷害。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。

附圖說明

圖1是本發(fā)明具體實(shí)施方式的一實(shí)驗(yàn)裝置的原理性結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明具體實(shí)施方式中實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式中的實(shí)驗(yàn)裝置的部分剖面結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，該微生物水動力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置具有由兩筒型結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒20、外筒10同心設(shè)置構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)水槽，該水槽內(nèi)承載實(shí)驗(yàn)流體40；所述內(nèi)筒20和外筒10由驅(qū)動裝置繞所述同心的圓點(diǎn)驅(qū)動進(jìn)行逆方向的轉(zhuǎn)動設(shè)置。通過外力驅(qū)動形成水槽的外筒及內(nèi)筒間的逆向轉(zhuǎn)動可在環(huán)形水槽的中心環(huán)面41產(chǎn)生的持續(xù)穩(wěn)定的剪切流，通過調(diào)節(jié)水槽內(nèi)外筒壁的轉(zhuǎn)動速度可改變環(huán)形水槽內(nèi)的剪切流的流速和流態(tài)。在進(jìn)行微生物水動力學(xué)時，在環(huán)形水槽內(nèi)加入實(shí)驗(yàn)流體及微生物，啟動驅(qū)動裝置對內(nèi)筒和外筒進(jìn)行轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制，即可逼真的模擬東水體的水體環(huán)境，利用水平向射入光線的激光片源和垂直向設(shè)置的ccd相機(jī)進(jìn)行取像和觀察采集，達(dá)到最佳的實(shí)驗(yàn)效果和數(shù)據(jù)。

如圖2和圖3所示，組成該環(huán)形結(jié)構(gòu)水槽的內(nèi)筒20和外筒10為透明材料構(gòu)成的圓筒，可采用玻璃或者玻璃鋼材料制成圓筒狀，水槽的底部裝配在一底板30上并形成動水密封結(jié)構(gòu)。底板30可采用鋼板等剛性底板，該底板30上開設(shè)有與所述內(nèi)筒20和外筒10下邊緣相配合的凹槽31，內(nèi)筒和外筒下邊緣裝配在該凹槽內(nèi)并與凹槽間設(shè)置有水動密封裝置(圖中未示出)。水動密封裝置為彈性的高分子密封膠條，所述內(nèi)筒20和外筒10的下邊緣為圓弧形結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)內(nèi)筒和外筒在相對底板轉(zhuǎn)動時的動密封效果。驅(qū)動裝置為驅(qū)動電機(jī)，所述驅(qū)動電機(jī)設(shè)置在所述內(nèi)筒和外筒的中軸線上。驅(qū)動電機(jī)設(shè)置在外筒外部設(shè)置的固定支架上，一固定支架13位于所述外筒10的上部并固定一外筒的驅(qū)動電機(jī)11；另一固定支架23位于所述內(nèi)筒20的下部并固定一內(nèi)筒的驅(qū)動電機(jī)21。外筒的驅(qū)動電機(jī)11驅(qū)動連接一外筒導(dǎo)力板12，該外筒導(dǎo)力板12徑向連接所述外筒10的上部筒壁。內(nèi)筒20的驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動連接一內(nèi)筒導(dǎo)力板22，該內(nèi)筒導(dǎo)力板22徑向連接所述內(nèi)筒20的下部筒壁。

該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)一步包括一基座50，所述底板30支撐固定于所述基座50上，所述固定支架也固定連接在該基座上。該基座50可采用鋼基材質(zhì)，為整個實(shí)驗(yàn)裝置提供穩(wěn)定的支撐。