技术领域
[0001] 本实用新型涉及水利
水电工程水环境研究领域，具体涉及一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型。
背景技术
[0002] 水利工程的建设尤其是大型高坝水库的建设
对流域的防洪、供水、发电和航运等提供了强有
力的保障。我国各大流域相继开发利用水能资源，特别是
梯级电站的开发，改变了河流的天然径流属性，受干扰河段的水温
时空变化过程发生显著改变，水库库区垂向
温度出现分层结构，下泄水温较天然历史水温出现明显的均化效应、延迟效应和春夏季低温水、秋冬季高温水的现象。大量研究资料表明，水温过程的变异对水库库区及下游河道的
生态系统产生深远影响。
[0003] 水库的库区水温变化和下泄水温过程的变幅，主要与上游来流量、水库调度方式、气温、水面热交换等诸多因素有关，属于复杂的
热力学问题。汛期连续降雨，上游洪水携带大量泥沙进入温度分层的水库，来流含沙水与库内清水形成
密度差，并由此产生压力差形成异重流下潜，可能会形成底部异重流、间
层流或者表面异重流继续向前行进，破坏库区的温度分层结构。若前锋运动至坝前不能及时排除，会在坝前涌高爬升，进一步破坏坝前水温分层结构，影响下泄水温。水温和泥沙耦合的相互作用机理复杂，它涉及到环境水力学、生态学、水工水力学等许多领域，其研究难度极大，目前，关于此机理的研究仍较为匮乏。
[0004] 含沙水流对温度分层型水库水温结构影响的
原型观测成本高，且难以捕捉到含沙水流形成的异重流对库区水温的影响过程，观测时机难以把握。因此，本课题组提出一种含沙水流对温度分层型水库水温的物理模型实验研究的新方法，在实验室内通过控制入流的含沙量和水温以及环境
水体的初始垂向水温分布模拟含沙水流对水库垂向水温的影响，通过室内物理模型实验结果揭示泥沙和水温的相互耦合作用机理，以及入流水温、含沙量对库区水温影响程度。实用新型内容
[0005] 本实用新型提出一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型。该模型用在实验室内通过控制入流的含沙量和水温以及环境水体的初始垂向水温分布模拟含沙水流对水库垂向水温的影响，通过室内物理模型实验结果揭示泥沙和水温的相互耦合作用机理，以及入流水温、含沙量对库区水温影响程度。
[0006] 为了实现上述的技术特征，本实用新型的目的是这样实现的：一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，它包括用于制备和提供含沙水的进
水循环系统，所述进水循环系统和用于模拟分层型水库实验的实验水槽系统相连，所述实验水槽系统与出水系统相连，所述进水循环系统和实验水槽系统上设置有温度监测装置和流场监测装置。
[0007] 所述进水循环系统包括含沙水制备箱，所述含沙水制备箱内部连通有出水管，所述出水管上依次安装有
离心泵和流量计，所述
离心泵和流量计之间的管路上通过三通管连接有第一循环管，所述第一循环管上安装有第一
阀门；所述含沙水制备箱的内部安装有两个双层螺旋杆搅拌器。
[0008] 所述实验水槽系统包括进水箱，所述进水箱的顶部设置有进水管，所述进水管与进水循环系统的出水管末端相连，所述进水管上安装有第二阀门，所述进水箱的顶部出水口设置有进水
挡板，所述出水口与模型水槽相连，所述模型水槽的尾部通过三个高度不同的第一出水管、第二出水管和第三出水管与出水系统的出水箱相连，且在每个出水管上都各自安装有出口阀门。
[0009] 所述进水箱的侧面安装有溢流箱，所述进水箱和溢流箱的底部分别连通有第一
排水管和第二排水管，所述第一排水管上安装有第三阀门；所述第一排水管和第二排水管都与出水系统的总排水管相连，所述总排水管与出水箱相连。
[0010] 所述模型水槽依次设置有平坡进口段、斜坡段和平坡段；所述模型水槽为敞口水槽，水面与空气
接触。
[0011] 所述温度监测装置包括装置固定夹、自记式温度记录仪、温度
探头和垂向
位置固定板；所述垂向位置固定板上钻取有等间距的孔洞，所述孔洞内部固定安装
温度探头，所述温度探头与自记式温度记录仪相连。
[0012] 本实用新型有如下有益效果：
[0013] 1、本实用新型提出一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的室内物理模型，能够模拟不同物理特性的含沙水入流对环境水体温度结构的影响过程。为揭示入流含沙水的温度和含沙量对库区水温结构的影响研究提供
基础数据支持。
[0014] 2、本实用新型提出进水循环系统中在离心泵和流量计之间的管路上通过三通管连接有第一循环管，第一循环管上安装有第一阀门，第一循环管的出口与进水箱相连。能实现精确的控制入流流量，多余的含沙水通过第一循环管回流到进水箱中。
[0015] 3、本实用新型中提出在含沙水制备箱内安装有双层螺旋杆搅拌器，充分拌匀含沙水，减小由于泥沙颗粒沉降引起的入流含沙量的
波动误差。
[0016] 4、本实用新型中提出在进水箱的侧面安装有溢流箱，维持进水箱的水位恒定。
[0017] 5、本实用新型中提出在进水箱和溢流箱的底部分别连通有第一排水管和第二排水管，在第一排水管上安装有第三阀门，第一排水管和第二排水管都与出水系统的总排水管相连，总排水管与出水箱相连，为进水箱和溢流箱中的水提供排水通道。
[0018] 6、本实用新型中提出在进水箱的出水口断面设置有进水挡板，保证含沙水在平坡段进口断面全断面均匀入流，减小入流在进水口边界上的不均匀误差。
[0019] 7、本实用新型中提出在模型水槽的尾部通过三个高度不同的第一出水管、第二出水管和第三出水管与回水系统的出水箱相连，且在每个出水管上都各自安装有出口阀门。能实现模拟水库不同深度的孔口出流的工况，并能够采用闸阀开度准确控制出流流量。
[0020] 8、本实用新型中温度场测量装置布置在模型水槽中斜坡段能够记录含沙水形成异重流下潜时分离点的环境水体温度；平坡段的温度链能够反映环境水体中温度的垂向变化。
[0021] 9、本实用新型中找到合适的位置布置PIV二维流场测量装置，从水槽出水端打进激光，高速相机从侧面拍照，有效的捕捉含沙水流形成异重流前锋后环境
流体的流场分布，解决了由于含沙水不透光无法捕捉失踪粒子的难题，为数值模拟的模型验证提供重要的流场验证资料。
[0022] 10、实验采用细颗粒的
石英砂模拟含沙水流中的悬沙，其
沉降速度受细颗粒絮凝影响较小，成功模拟含沙水形成底部异重流、间层异重流对水温结构的影响。
[0023] 11、本实用新型中采用采用电热棒在水温
温跃层位置加热，实现环境水体的温度分层。本加热方式的加热速度较现有的灯光加热方式速度更快，且方便控制温跃层位置，能够更加准确的控制初始温度场。成功实现水库温度分层结构的模拟，可控性强，操作更灵活。
附图说明
[0024] 下面结合附图和
实施例对本实用新型作进一步说明。
[0025] 图1本实用新型方法所用的物理模型系统的整体结构示意图。
[0026] 图2本实用新型方法所用温度监测的位置示意图。
[0027] 图3为本实用新型中二维流场测量示意图。
[0028] 图4为本实用新型实施例2中所选石英砂的级配曲线。
[0029] 图5-8为本实用新型实施例2中CASE1～CASE4监测断面在不同时刻的垂向水温分布图。
[0030] 图9为本实用新型实施例2中Case1中14.4℃含沙水入流形成间层异重流温度的运动形态。
[0031] 图10为本实用新型实施例2中PIV实测含沙水入流形成前锋下潜时局部流场。
[0032] 图中：沙水制备箱1、出水管2、离心泵3、流量计4、第一阀门5、第一循环管6、第二阀门7、进水管8、进水箱9、平坡进口段10、斜坡段11、平坡段 12、进水挡板13、溢流箱14、第二排水管15、第三阀门16、第一排水管17、 1#
数据采集断面18、2#数据采集断面20、3#数据采集断面21、4#数据采集断面 22、5#数据采集断面24、第一出水管25、第二出水管26、第三出水管27、出水箱28、总排水管29、入流水温监测点30、斜坡温度测点31、第一平坡段温度测量断面20、第二平坡段温度测量断面23、出流水温监测点32、进水循环系统33、实验水槽系统34、出水系统35、高速相机36、
激光器37。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图并用实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的内容不仅限于实施例中所涉及的内容，即并不意味着是对本实用新型保护内容的任何限定。
[0034] 实施例1：
[0035] 如图1-3，一种含沙水流对分层型水库水温结构影响的物理模型，它包括用于制备和提供含沙水的进水循环系统33，所述进水循环系统33和用于模拟分层型水库实验的实验水槽系统34相连，所述实验水槽系统34与出水系统35相连，所述进水循环系统33和实验水槽系统34上设置有温度监测装置和流场监测装置。通过上述的三个系统共同构成整个实验的物理模型。
[0036] 进一步的，所述进水循环系统33包括含沙水制备箱1，所述含沙水制备箱1 内部连通有出水管2，所述出水管2上依次安装有离心泵3和流量计4，所述离心泵3和流量计4之间的管路上通过三通管连接有第一循环管6，所述第一循环管6上安装有第一阀门5；所述含沙水制备箱1的内部安装有两个双层螺旋杆搅拌器。通过所述的双层螺旋杆搅拌器充分拌匀含沙水，避免由于泥沙颗粒沉降导致的入流的含沙量变化。所述流量计4采用
涡轮流量计，通过涡轮流量计控制含沙水的进水流量。通过设置第一循环管6保证了在实验过程中，在不需要注水时保证水体能够自动循环。
[0037] 进一步的，所述实验水槽系统34包括进水箱9，所述进水箱9的顶部设置有进水管8，所述进水管8与进水循环系统33的出水管2末端相连，所述进水管8上安装有第二阀门7，所述进水箱9的顶部出水口设置有进水挡板13，所述出水口与模型水槽相连，所述模型水槽的尾部通过三个高度不同的第一出水管 25、第二出水管26和第三出水管27与出水系统35的出水箱28相连，且在每个出水管上都各自安装有出口阀门。
[0038] 进一步的，所述进水箱9的侧面安装有溢流箱14，所述进水箱9和溢流箱 14的底部分别连通有第一排水管17和第二排水管15，所述第一排水管17上安装有第三阀门16；所述第一排水管17和第二排水管15都与出水系统35的总排水管29相连，所述总排水管29与出水箱28相连。模型水槽进水段通过溢流箱 14控制水位，多余的含沙水通过总排水管29进入出水箱28中，模型水槽的出水通过出口阀门控制，从模型水槽流出的水进入出水箱28中。
[0039] 进一步的，所述模型水槽依次设置有平坡进口段10、斜坡段11和平坡段12；所述模型水槽为敞口水槽，水面与空气接触。
[0040] 进一步的，模型实验水槽内水体的初始温度分层通过电热棒在固
定位置加热来实现，采用垂向温度监测装置来监测加热进度。由于水体密度随温度变化，在加热过程中水体内部对流扩散，水平方向上的水温基本一致，通过在不同位置水温监测结果，采用电热棒加热可以实现稳定的温度分层结构。通过控制电热棒的加热位置调节温跃层所在位置。
[0041] 进一步的，所述温度监测装置包括装置固定夹、自记式温度记录仪、温度探头和垂向位置固定板；所述垂向位置固定板上钻取有等间距的孔洞，所述孔洞内部固定安装温度探头，所述温度探头与自记式温度记录仪相连。在本实施例中探头垂向间隔为5cm，可根据实际监测需要调整探头位置在温度记录仪的
显示面板上可实时读取温度数据。实验过程中可采用相机拍照后期处理数据还原不同时刻的垂向温度变化情况。
[0042] 实施例2：
[0043] 本实施例中所用的仪器设备出处如下：
[0044] 1、温度记录仪采用杭州路格科技有限公司生产的LG93-22温度仪，测量范围为-40～100℃，
精度为±0.2℃，连续自记测点温度，
采样频率为2s；
[0045] 2、离心泵采用LWGY-DN15型涡轮流量计，其流量测量范围为0.6～6m3/h；
[0046] 3、实验用沙的粒径采用
马尔文激光粒度仪(Mastersizer 2000)进行分析，测量粒径范围为0.02μm到2000μm。
[0047] 4、二维流场测量设备采用TSI公司的PIV测量设备，
图像分析软件采用 INSIGHT 4G，激光器采用雷格激光器。
[0048] 5、进水箱的尺寸为30cm×30cm，进口溢流水深为55cm，实验水槽总的宽长高尺寸为20cm×260cm×58cm，其中斜坡段的尺寸为45cm×20cm×58cm，平坡段的尺寸为185cm×20cm×58cm。
[0049] 本实施例对不同水温工况入流水温进行试验。工况设置4个温度梯度，入流含沙量1.5kg/m3，分4次进行实验，水槽的出口方式均为底孔出流。环境水体的温度分布见表1所示。
[0050] 表1工况说明表
[0051]
[0052]
[0053] 实验的具体操作步骤如下：
[0054] 步骤一，按装配图的连接装置布置好仪器设备。在含沙水制备箱和模型水槽中装好水，按照工况设置流量参数调好进口闸阀和出口闸阀的开度，本组实验的进出流量均为0.75m3/h，整个循环系统稳定运行5～10min后关闭离心泵电源，以保证闸阀开度合适，进出口水流稳定，水槽中水面平稳。
[0055] 步骤二，4组实验中分别采用电热棒将含沙水制备箱中的水加热，用自记式温度记录仪监测水温到14.4℃、18.3℃、23℃、25.6℃。根据水库的悬沙级配和泥沙属性，选择细颗粒的石英沙作为模型沙模拟天然洪水中的悬沙，所选石英砂级配曲线如图4所示。称取1.5kg的石英砂配制成1m3含沙水体，充分搅拌均匀，以保证均匀含沙量的水流进入试验水槽，准确的控制入口边界。
[0056] 步骤三，模型水槽中的清水其实水温为9.8℃，根据模拟的水库分层水温特点，将电热棒固定在距水槽底部25cm高的位置进行加热，加热至表层水温24.5℃，用垂向温度监测装置监测初始温度场情况，待水面温度达到预定温度时停止加热，取走电热棒，加热过程大概需要半个小时左右，静置5min。由于实验过程耗时较短，忽略实验水体与外界的热交换过程。
[0057] 步骤四，用止水板隔断进水箱和平坡进水段的水体，放空进水箱的清水后关闭回水阀16，开启离心泵3
抽取预定温度的含沙水进入进水箱9，多余的水溢流进入排水总管29。准备工作结束后，取走止水板，开启出口阀门到预定开度，开始实验。
[0058] 步骤五，实验过程中记录含沙水流形成的异重流前锋到预定位置时的到达时间、同步的垂向温度记录仪的温度读数、含沙水的入流水温、模型水槽出口水温。
[0059] 步骤六，实验开始前预热PIV测量系统的激光器及同步器等设备，摆好相机位置，完成找准、对焦工作，用激光器发光，移动水槽中的标定尺子，使其在激光片平面内，关闭激光器，移去相机盖，试拍单张，调整好焦距和位置后，切换到采集模式，取走标定尺子。关闭外源灯光，开始采集同步流场图片。拍摄结束后盖上相机盖。对图片进行后处理和分析。
[0060] 步骤七，在实验过程结束后，关闭离心泵，清理实验设备，
整理垂向水温和斜坡段水温的监测数据。
[0061] 在本实施例的4种工况情况下，统计Case1～Case4中8个时刻点的垂向水温，分别为：初始水温分布(t＝0)，前锋到斜坡进口断面(距进口断面35cm)，80cm 断面位置时刻(1#断面)，115cm(2#断面)，155cm(3#断面)，195cm(4#断面)， 235cm(5#断面)，出口断面。图5-8给出了CASE1～CASE4监测断面在不同时刻的垂向水温分布图。实验证明了含沙水体入流形成异重流后对垂向温度分层结构形成破坏，温跃层的温跃梯度减小，上层高温水体与来流水体掺混后温度降低，下层低温水体温度升高。
[0062] 以CASE1为例，其进口处来流温度为14.4℃，所形成间层异重流温度的运动形态如图9所示。PIV实测含沙水入流形成前锋下潜时局部流场如图10所示。在前锋的上层水体形成逆向漩涡。前锋在斜坡上分离位置为水深50cm处，前锋的下边界呈楔形，水温的影响范围为水深15cm至50cm。从5中CASE2的温度变化过程可知，1#水温监测断面处，由于前锋与异重流上层水体的掺混，水深 15cm到30cm范围，水温逐渐降低；而30cm至50cm范围内，水体温度逐渐升高。水温结构被破坏，前锋行进层水温逐渐趋于均匀，温跃层下移。
[0063] 本实用新型可根据需要，塑造底部异重流、中部异重流和表层异重流，来研究含沙水对环境水体温度的影响。本实用新型中实验的入口和出口边界条件控制得当，操作方便，对揭示含沙水流对温度分层的环境水体影响的机理具有很好的具有推广应用价值。
[0064] 上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和
权利要求的保护范围内，对本实用新型做出的任何
修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。
