環(huán)形水槽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及最佳轉(zhuǎn)速比研究

陳俊 王天奕 徐奕蒙 林柏涵 陳冰冰 郭澤斌 丘瑾煒

(珠江水利科學(xué)研究院 廣東廣州 510611)

環(huán)形水槽作為研究細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動特性與污染物傳播規(guī)律的較理想設(shè)備，現(xiàn)已越來越多地被使用在海岸河口泥沙的水力特性試驗中，特別是在泥沙侵蝕、沉積、輸運(yùn)等方面[1]。淤泥質(zhì)泥沙顆粒沉降速度很小，完成全部沉降過程需要很長的水槽[2]。環(huán)形水槽系統(tǒng)是在剪力環(huán)和環(huán)形槽的剪切力和慣性力下形成水流，它相當(dāng)于過水?dāng)嗝嫠鳡顟B(tài)相同的無限長水槽，并有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等特點，不需要設(shè)回水系統(tǒng)和消能設(shè)施，故不會產(chǎn)生直槽研究細(xì)顆粒泥沙絮凝問題時水泵攪動破壞絮團(tuán)等問題，也能避免泥沙損失及水庫清淤工作，滿足細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降所需的距離要求，可在實驗室內(nèi)進(jìn)行水流泥沙沉降試驗[3]。

筆者所在研究院為長江水利科學(xué)研究院研制了一套雙向旋轉(zhuǎn)環(huán)形水槽，用于促進(jìn)水利部長江中下游河湖治理與防洪重點實驗室基礎(chǔ)研究專用設(shè)施的建設(shè)與完善。該文介紹該環(huán)形水槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和最佳轉(zhuǎn)速比試驗，并列出部分試驗數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

環(huán)形水槽系統(tǒng)分為上層旋轉(zhuǎn)裝置、中部環(huán)形水槽、底部支撐及測控系統(tǒng)四部分[4]。通過搭載斷面三維流速測量設(shè)備、地形測量設(shè)備、無線全自動水樣采集裝置、高精度連續(xù)探頭泥沙測量設(shè)備和環(huán)形水槽測控軟件組成一整套環(huán)形水槽系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 環(huán)形水槽系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計特點具體如下。

（1）水槽內(nèi)置水循環(huán)系統(tǒng)、剪力環(huán)等機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)單向/雙向流循環(huán)流動、可變流速流動、非規(guī)律性擾動性流動等，最大條件模擬真實環(huán)境。（2）水槽配備伺服電機(jī)驅(qū)動及旋轉(zhuǎn)支撐軸承，具備扭矩大、響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換平穩(wěn)、垂向承載力大及水平抗扭力高等特點，有效消除水槽轉(zhuǎn)動時抖動及不平衡等問題。（3）水槽配備高速無線通信系統(tǒng)，實現(xiàn)控制及傳感器數(shù)據(jù)高速傳輸，有效避免繞線等問題。（4）配備三維流速測量設(shè)備、地形測量設(shè)備、無線全自動水樣采集裝置、實時泥沙濃度測量設(shè)備，可對流速、鹽度、濁度等參數(shù)進(jìn)行實時采集。

環(huán)形水槽主體結(jié)構(gòu)分為上層旋轉(zhuǎn)裝置、中部環(huán)形水槽和底部支撐3部分，具體見圖2。

圖2 環(huán)形水槽主體結(jié)構(gòu)圖

1.1 上層旋轉(zhuǎn)裝置

上層旋轉(zhuǎn)裝置主要部件為剪力環(huán)、剪力環(huán)連接框架、回轉(zhuǎn)支承軸承、回轉(zhuǎn)支承軸承安裝板、減速機(jī)、伺服電機(jī)及升降平臺，如圖3 所示。剪力環(huán)由10 mm 厚透明無色有機(jī)玻璃一體加工成型，保證了平整性和光滑度。剪力環(huán)環(huán)寬（觸水部分）190 mm、外徑2 390 mm、內(nèi)徑2 010 mm。剪力環(huán)轉(zhuǎn)速0.1～20 r/min。此外，步進(jìn)轉(zhuǎn)速為0.1 r/min，最大線性速度為1.6 m/s。

圖3 上層旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計圖

1.2 中部環(huán)形水槽

中部環(huán)形水槽由2個半圓形水槽拼接而成，如圖4所示。水槽側(cè)壁和水槽底部分別采用材質(zhì)為10 mm和12 mm厚透明無色有機(jī)玻璃，水槽頂部及側(cè)面均布有肋條，既保證了水槽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又有效地減少水槽的重量。水槽主體外徑2 500 mm、深550 mm、寬200 mm，槽內(nèi)最大流速0.8 m/s，水槽轉(zhuǎn)速范圍0.1～20 r/min。此外，步進(jìn)轉(zhuǎn)速為0.1 r/min，最大線性速度為1.6m/s。中部環(huán)形水槽通過不銹鋼螺栓與水槽底部支撐架連接。

圖4 中部環(huán)形水槽設(shè)計圖

1.3 底部支撐

底部支撐由水槽底部支撐架、回轉(zhuǎn)支承軸承、底部框架和調(diào)平裝置組成，如圖5 所示。水槽底部支撐架采用304 不銹鋼材質(zhì)，外徑2 500 mm，預(yù)留窗口，窗口長度400 mm，寬度200 mm，方便觀察實驗過程。水槽底部支撐架通過不銹鋼螺栓與回轉(zhuǎn)支承軸連接?；剞D(zhuǎn)支承軸通過不銹鋼螺栓與底部框架連接。

圖5 底部支撐設(shè)計圖

1.4 測控系統(tǒng)

環(huán)形水槽測控系統(tǒng)主要用于水工模型、河工模型等試驗中對所有相關(guān)的設(shè)備起控制作用[5]。該系統(tǒng)通過中控機(jī)精密的軟件算法，實時調(diào)節(jié)伺服電機(jī)，實現(xiàn)控制剪力環(huán)的升降速度、剪力環(huán)的旋轉(zhuǎn)速度以及環(huán)形水槽的旋轉(zhuǎn)速度，該系統(tǒng)同時還兼容水樣采集控制功能[6]，此外，采集單元如三維流速采集儀ADV、濁度傳感器AOBS、地形儀采集地形等實時數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳輸?shù)街锌貦C(jī)，并在測控軟件上實時顯示。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖6 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測控軟件可實現(xiàn)水槽控制完全實現(xiàn)自動化，實現(xiàn)水槽運(yùn)動智能調(diào)控，包括開環(huán)控制、閉環(huán)控制等控制命令，主要功能包括手動控制（微調(diào)）、反饋控制（恒定旋轉(zhuǎn)）和過程控制（非恒定旋轉(zhuǎn)）；同時，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示、存儲與導(dǎo)出、圖形化分析統(tǒng)計[7]?？梢詫?shù)據(jù)導(dǎo)出成純文本格式或Excel格式；以曲線方式實時顯示各傳感器測量的過程曲線；能方便擴(kuò)展測控變量的種類，如除了流速、地形、含沙量等變量外，增加溫度場等變量的測控。

2 環(huán)形水槽最佳轉(zhuǎn)速比測試

2.1 基本原理

環(huán)形水槽內(nèi)存在顯著的二次流，二次流是指流速方向與環(huán)形水槽切線方向不一致的水流，而進(jìn)行泥沙水力特性試驗所要求的是均勻紊動水流[8]。環(huán)形水槽產(chǎn)生這種水流條件的基本原理具體敘述如下。

（1）當(dāng)只有環(huán)形槽轉(zhuǎn)動時，水槽內(nèi)水體受離心力的作用，產(chǎn)生向外的橫向次流[8]。這種運(yùn)動狀態(tài)下泥沙靠水槽外側(cè)運(yùn)動，見圖7-A。（2）當(dāng)只有剪力環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)時，受剪力環(huán)剪切力的作用，產(chǎn)生向內(nèi)的橫向次流[9]。這種運(yùn)動狀態(tài)下泥沙靠水槽內(nèi)側(cè)運(yùn)動，見圖7-B。（3）當(dāng)剪力環(huán)和環(huán)形槽以一定比例同時方向相反轉(zhuǎn)動時，水槽內(nèi)的橫向次流大部分互相抵消，形成較均勻的紊動水流[9]。在這種水流作用下泥沙便會出現(xiàn)圖7-C 所示的路線運(yùn)動。因此，環(huán)形水槽使用前，必須利用塑料沙等示蹤物進(jìn)行率定，確定出環(huán)形槽運(yùn)轉(zhuǎn)速度V1與剪力環(huán)相對應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度V2的關(guān)系。同時，測定出各個運(yùn)動速度相應(yīng)的水槽底部平均流速。

圖7 環(huán)形水槽內(nèi)形成均勻紊流原理

2.2 試驗設(shè)計

試驗分兩種工況，分別是25 cm水深時最佳轉(zhuǎn)速比測試和30 cm水深時最佳轉(zhuǎn)速比測試，試驗使用的沙樣粒徑為0.1～0.3 mm。根據(jù)實際情況調(diào)整最佳轉(zhuǎn)速比（可根據(jù)水槽內(nèi)部模型沙的運(yùn)動方向以及ADV測到的水槽橫向流速是否趨近于0做判斷），以達(dá)到消除水槽橫向流速的目的。調(diào)整到最佳轉(zhuǎn)速比，待水槽至少穩(wěn)定運(yùn)行5 min，保證槽內(nèi)流速穩(wěn)定之后再開始記錄數(shù)據(jù)。

為了測量環(huán)形水槽內(nèi)的環(huán)向流速以及水槽內(nèi)的橫向流速，在環(huán)形水槽內(nèi)布置了2 臺ADV 儀器，見圖8。2 臺ADV 分布在環(huán)形水槽相差90°的位置且處于水槽切面的中心位置（距離水槽兩個槽壁各8.9 cm），用于測量環(huán)形水槽的兩個不同層面的流速，ADV1 放置在水深10 cm處，用于測量10 cm水深的流速值，ADV2放置在水深15 cm 處，用于測量15 cm 水深的流速值。ADV的Y方向流速（AV-y）代表水槽環(huán)向流速，ADV的X 方向流速（AV-x）代表水槽橫向流速。該文所說到的X方向以及Y方向都是基于此。

圖8 ADV布放圖

2.3 試驗結(jié)果

環(huán)形水槽在水深25cm時的環(huán)形槽運(yùn)轉(zhuǎn)速度V1與剪力環(huán)相對應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度V2的關(guān)系見表1和圖9。在水槽轉(zhuǎn)速2.5 r/min，剪力環(huán)轉(zhuǎn)速7.2 r/min 的試驗時，水槽中的流速已經(jīng)到達(dá)模型沙的啟動速度，水槽內(nèi)的模型沙都漂浮起來在水槽中運(yùn)動，使得水槽中水比較渾，無法在水槽底部進(jìn)行觀測，只能依靠ADV的橫向流速進(jìn)行判斷。

圖9 環(huán)形水槽最佳轉(zhuǎn)速V1-V2關(guān)系圖（25 cm水深）

表1 環(huán)形水槽最佳轉(zhuǎn)速比測試結(jié)果（25 cm水深）

環(huán)形水槽在水深30 cm 時的環(huán)形槽運(yùn)轉(zhuǎn)速度V1與剪力環(huán)相對應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度V2的關(guān)系見表2和圖10。

圖10 環(huán)形水槽最佳轉(zhuǎn)速V1-V2關(guān)系圖（30 cm水深）

表2 環(huán)形水槽最佳轉(zhuǎn)速比測試結(jié)果（30 cm水深）

在水槽轉(zhuǎn)速2.5 r/min，剪力環(huán)轉(zhuǎn)速8.7 r/min的試驗時，水槽中的流速已經(jīng)到達(dá)模型沙的啟動速度，水槽內(nèi)的模型沙都漂浮起來在水槽中運(yùn)動，使得水槽中水比較渾，無法在水槽底部進(jìn)行觀測，只能依靠ADV 的橫向流速進(jìn)行判斷。

綜上，水槽與剪力環(huán)的最佳轉(zhuǎn)速比在水深為25 cm時約為1∶3；水深為30 cm 時約為1∶3.5。所以環(huán)形水槽的最佳轉(zhuǎn)速比不是一個固定值，需要根據(jù)實驗工況對每個轉(zhuǎn)速下進(jìn)行微調(diào)；且在不同的水深情況下，轉(zhuǎn)速比也不同，需要調(diào)整。

3 結(jié)語

環(huán)形水槽系統(tǒng)經(jīng)過長江水利科學(xué)研究院測試、應(yīng)用，于2022 年4月竣工驗收，獲得甲方良好的評價。應(yīng)用工業(yè)控制計算機(jī)技術(shù)、伺服驅(qū)動控制、無線橋接技術(shù)以及轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制等技術(shù)，使環(huán)形水槽控制系統(tǒng)在水流及泥沙特性研究的試驗中運(yùn)行操作更加方便、安全可靠。它是水利研究人員用以研究泥沙運(yùn)動特性的先進(jìn)輔助設(shè)備，有著非常好的推廣前景。

該文利用環(huán)形水槽對最佳轉(zhuǎn)速比問題開展研究，研究成果可作為今后進(jìn)一步開展利用環(huán)形水槽開展實驗對泥沙特性進(jìn)行研究的前提基礎(chǔ)，為設(shè)計合理的實驗，開展有關(guān)泥沙起動及沉降研究工作提供了參考，而實體環(huán)形水槽實驗也將會進(jìn)一步驗證數(shù)學(xué)模型的結(jié)果是否合理，目前這部分工作有待進(jìn)一步研究。