一种明渠弯道水槽试验装置转让专利
申请号 : CN201110307175.3
文献号 : CN102433854B
文献日 : 2013-10-23
发明人 : 李丹勋 , 胡江 , 陈启刚 , 钟强 , 王兴奎
申请人 : 清华大学
摘要 :
本发明涉及一种明渠弯道水槽试验装置，属于水利试验技术领域，该装置包括升降系统、主梁、支撑框架，以及由玻璃底板和玻璃侧壁构成的明渠弯道水槽，其中，明渠弯道水槽安装在支撑框架上，支撑框架焊接在主梁上面，升降系统支撑在主梁的底面，用于对水槽坡度的连续调节。本发明具有精度高、应用范围广、适应性强、可连续调坡，节省大量的人力物力的特点，具有重要的生产实用价值及推广应用前景。
权利要求 :
1.一种明渠弯道水槽试验装置，其特征在于，该装置包括升降系统、主梁、支撑框架，以及由玻璃底板和玻璃侧壁构成的明渠弯道水槽，其中，明渠弯道水槽安装在支撑框架上，支撑框架焊接在主梁上面，升降系统支撑在主梁的底面，用于对水槽坡度的连续调节；
所述升降系统由连接在上游入口直段梁下面的多根升降螺杆，连接在中游弯道段梁下面的多根固定支撑柱，连接在下游出口直段梁下面的多根升降螺杆，连接在上游入口直段梁和中游弯道段梁连接处下面的一个固定铰支，以及与升降螺杆下端相连的多个底座构成。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述主梁采用框架结构，由上游入口直段梁、中游弯道段梁及下游出口直段梁三段相互衔接构成，各段梁分别由相连在各段梁的下表面的升降系统支撑并调节坡度。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述每根固定支撑柱由一根矩形钢柱构成，每两根钢柱焊接在主梁同一横断面下表面形成一对固定支撑柱；所述升降螺杆由螺纹螺杆构成，每两根螺杆下端与同一个底座相连，两根螺杆在水槽的同一横断面上。
4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述底座由横梁和立柱焊接而成，所述底座的横梁前后两侧对称安装有圆柱形套筒，套筒内壁设有螺纹，用于连接升降螺杆，套筒外周焊接有从动齿轮；两从动齿轮之间安装有驱动齿轮，与两个从动齿轮相咬合，用于带动从动齿轮旋转，从而带动一对升降螺杆上下升降；升降螺杆下端与套筒内螺纹配合连接，升降螺杆上端面焊接在主梁的下表面。
5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述支撑框架采用框架结构，由上游入口直段支撑框架、中游弯道段支撑框架和下游出口直段支撑框架三段相互连接组成一体，该各段支撑框架由设置在底部的多根框架横梁，设置在框架横梁上方的多块板条，连接在框架横梁和板条之间的多根微调螺杆，以及连接在框架横梁两端的多根框架立梁构成；框架横梁两端焊接在主梁上，框架横梁中间分布有多个螺孔，微调螺杆从下往上穿过框架横梁上的螺孔，微调节螺杆顶端固定在板条的下表面，用于调节顶部板条的高度，板条用于安装明渠弯道水槽的玻璃底板，框架立梁下端焊接在主梁上，用于安装并支撑明渠弯道水槽的玻璃侧壁。
6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述明渠弯道水槽包括由多块玻璃底板和玻璃侧壁构成的上游入口直段水槽、中游弯道段水槽及下游出口直道段水槽；三段水槽的玻璃底板分别平放在支撑框架上，并相互连通组成明渠弯道水槽的底板；三段水槽的玻璃侧壁紧靠玻璃底板由支撑框架支撑。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述中游弯道段水槽底板由多块扇形玻璃和连接相邻两扇形玻璃的夹具组成，所有扇形玻璃用夹具拼接成弯道底板玻璃；每块扇面形玻璃的两个径向边有一铣台，安装在相邻两块玻璃之间的金属夹具由上凸块、下平块及连接上凸块、下平块的螺钉组成。
说明书 :
一种明渠弯道水槽试验装置
技术领域
[0001] 本发明属于水利试验技术领域，特别涉及明渠弯道水槽的试验装置及其制作方法。
背景技术
[0002] 天然冲积河流普遍存在弯曲特征。弯曲河段的水流特性及输沙规律与顺直河段相比差异很大，必须进行专门的研究，其研究方法主要有野外观测和室内试验。由于野外观测难度大、周期长、影响因素复杂，很难进行系统的研究。室内试验一般采用由上游入口直段1、中游弯道段2、下游出口直段3构成的明渠弯道水槽试验装置，图1为一典型明渠弯道水槽的平面示意图，该装置可以在一定的简化条件下进行系统深入地研究，为揭示弯道水流的运动规律提供基础数据。
[0003] 坡度变化是明渠水流最基本的参数之一。现有的明渠弯道水槽一般由具有固定坡度的三段混凝土底板01、02、03和三段玻璃边壁11、12、13连接构成一个整体水槽，当坡度为零时，其沿纵向展开剖面示意结构如图2(a)所示，其中混凝土底板01、02、03对整个水槽起支撑和承重作用，底板01、02、03的顶部面板21、22、23则构成明渠弯道水槽的床面。在建设该形式的明渠弯道水槽时，首先安装好两侧玻璃边壁11、12、13，然后在玻璃边壁11、12、13之间填筑混凝土底板01、02、03至预定高度，形成具有预定坡度的底板顶部面板21、
22、23。当需要对床面坡度进行调整时，则需要额外填筑混凝土31、32、33，重新形成新的固定坡降的底板顶部面板21、22、23，如图2(b)。因此，在传统的明渠弯道水槽内进行每一种坡度的试验都需要花费很大的人力物力，且反复调整坡度对边壁玻璃的损伤也很大。此外，固定的混凝土底板也使得无法利用粒子图像测速技术PIV等测量仪器从水槽下部投射片光源或拍照，以测量明渠弯道水流的流动特性。
22、23。当需要对床面坡度进行调整时，则需要额外填筑混凝土31、32、33，重新形成新的固定坡降的底板顶部面板21、22、23，如图2(b)。因此，在传统的明渠弯道水槽内进行每一种坡度的试验都需要花费很大的人力物力，且反复调整坡度对边壁玻璃的损伤也很大。此外，固定的混凝土底板也使得无法利用粒子图像测速技术PIV等测量仪器从水槽下部投射片光源或拍照，以测量明渠弯道水流的流动特性。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种明渠弯道水槽试验装置，具有精度高、应用范围广、适应性强、可连续调坡，节省大量的人力物力的特点，具有重要的生产实用价值及推广应用前景。
[0005] 本发明提出的一种明渠弯道水槽试验装置，其特征在于，该装置包括升降系统、主梁、支撑框架，以及由玻璃底板和玻璃侧壁构成的明渠弯道水槽，其中，明渠弯道水槽安装在支撑框架上，支撑框架焊接在主梁上面，升降系统支撑在主梁的底面，用于对水槽坡度的连续调节。
[0006] 所述主梁可采用框架结构，由上游入口直段梁、中游弯道段梁及下游出口直段梁三段相互衔接构成，各段梁分别由相连在各段梁的下表面的升降系统支撑并调节坡度。
[0007] 所述升降系统可由连接在上游入口直段梁下面的多根升降螺杆，连接在中游弯道段梁下面的多根固定支撑柱，连接在下游出口直段梁下面的多根升降螺杆，连接在上游入口直段梁和中游弯道段梁连接处下面的一个固定铰支，以及与升降螺杆下端相连的多个底座构成。
[0008] 所述每根固定支撑柱可由一根矩形钢柱构成，每两根钢柱焊接在主梁同一横断面下表面形成一对固定支撑柱；所述升降螺杆由螺纹螺杆构成，每两根螺杆下端与同一个底座相连，两根螺杆在水槽的同一横断面上。
[0009] 所述底座可由横梁和立柱焊接而成，所述底座的横梁前后两侧对称安装有圆柱形套筒，套筒内壁设有螺纹，用于连接升降螺杆，套筒外周焊接有从动齿轮；两从动齿轮之间安装有驱动齿轮，与两个从动齿轮相咬合，用于带动从动齿轮旋转，从而带动一对升降螺杆上下升降；升降螺杆下端与套筒内螺纹配合连接，升降螺杆上端面焊接在主梁的下表面。
[0010] 所述支撑框架可采用框架结构，由上游入口直段支撑框架、中游弯道段支撑框架和下游出口直段支撑框架三段相互连接组成一体，该各段支撑框架由设置在底部的多根框架横梁，设置在框架横梁上方的多块板条，连接在框架横梁和板条之间的多根微调螺杆，以及连接在框架横梁两端的多根框架立梁构成；框架横梁两端焊接在主梁上，框架横梁中间分布有多个螺孔，微调螺杆从下往上穿过框架横梁上的螺孔，微调节螺杆顶端固定在板条的下表面，用于调节顶部板条的高度，板条用于安装明渠弯道水槽的玻璃底板，框架立梁下端焊接在主梁上，用于安装并支撑明渠弯道水槽的玻璃侧壁。
[0011] 所述明渠弯道水槽可包括由多块玻璃底板和玻璃侧壁构成的上游入口直段水槽、中游弯道段水槽及下游出口直道段水槽；三段水槽的玻璃底板分别平放在支撑框架上，并相互连通组成明渠弯道水槽的底板；三段水槽的玻璃侧壁紧靠玻璃底板由支撑框架支撑。
[0012] 所述中游弯道段水槽底板可由多块扇形玻璃和连接相邻两扇形玻璃的夹具组成，所有扇形玻璃用夹具拼接成弯道底板玻璃；每块扇面形玻璃的两个径向边有一铣台，安装在相邻两块玻璃之间的金属夹具由上凸块、下平块及连接上凸块、下平块的螺钉组成。
[0013] 本发明的技术效果
[0014] 1.精度高：弯道水槽的整体误差小于0.2mm；
[0015] 2.应用范围广：可进行各种水流、泥沙的试验；
[0016] 3.适应性强：全玻璃槽身，为PIV等先进测量方法提供了基础设备；
[0017] 4.实现了弯道水槽全长的连续调坡，可节省大量的人力物力；
[0018] 5.本装置可用于恒定流和非恒定流的试验，具有重要的生产实用价值及推广应用前景。
附图说明
[0019] 图1为典型明渠弯道水槽的平面示意图。
[0020] 图2为已有的明渠弯道水槽底坡(沿纵向展开)变化方式示意图；其中，[0021] 图2(a)为坡度为零时，其沿纵向展开剖面结构示意图，
[0022] 图2(b)为坡度不为零时，其沿纵向展开剖面结构示意图。
[0023] 图3为本发明的明渠弯道水槽试验装置沿纵向展开示意图。
[0024] 图4为本发明的升降系统底座结构示意图，其中，图4(a)为从上游往下游观察时的侧视图，图4(b)为俯视图。
[0025] 图5为本发明的支撑框架结构示意图。
[0026] 图6为本发明的扇面形玻璃形状示意图，其中，图6(a)为铣台后的扇形玻璃821平面图，图6(b)为铣台后的扇形玻璃的侧视图；。
[0027] 图7为本发明的弯道段底板玻璃夹具安装结构图。
[0028] 图8本发明的弯道水槽自动调坡示意图。
具体实施方式
[0029] 以下结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0030] 本发明的明渠弯道水槽试验装置总体结构包括升降系统、主梁、支撑框架，以及由玻璃底板和玻璃侧壁构成的明渠弯道水槽，其中，明渠弯道水槽安装在支撑框架上，支撑框架焊接在主梁上面，升降系统支撑在主梁的底面，用于对水槽坡度的连续调节。
[0031] 上述装置各部分的具体实施方式及功能结合各附图分别说明如下：
[0032] 本实施例的主梁采用规格为80×120×5mm的矩形钢焊接成框架结构，如图3所示，由上游入口直段梁51、中游弯道段梁52及下游出口直段梁53三段相互衔接构成，各段梁分别由相连在各段梁的下表面的升降系统支撑并调节坡度。
[0033] 本实施例的升降系统由连接在上游入口直段梁51下面的多根升降螺杆41，连接在中游弯道段梁52下面的多根固定支撑柱42，连接在下游出口直段梁53下面的多根升降螺杆43，连接在上游入口直段梁51和中游弯道段梁52连接处下面的一个固定铰支44，以及与升降螺杆41、43下端相连的多个底座45构成，如图3所示。每根固定支撑柱42由一根规格为80×60×1.4mm的矩形钢柱构成，每两根钢柱焊接在主梁同一横断面下表面形成一对固定支撑柱。升降螺杆41和43均由M36型螺杆构成，每两根螺杆为一对，下端与同一个底座相连，两根螺杆在水槽的同一横断面上；底座45由规格为120×53×5.5mm的槽钢制成的横梁和立柱焊接而成，其结构如图4所示，其中，图4(a)为从上游往下游观察时的侧视图，图4(b)为俯视图，底座的横梁前后两侧对称安装有圆柱形套筒46，套筒内壁设有螺纹，用于连接升降螺杆41、43，套筒外周焊接有从动齿轮47；两从动齿轮之间(横梁中心)安装有驱动齿轮48，与两个从动齿轮相咬合，用于带动从动齿轮旋转，从而带动一对升降螺杆上下升降。升降螺杆41、43下端与套筒46内螺纹配合连接，上端面焊接在主梁的下表面。
[0034] 本实施例的支撑框架采用多个规格为50×50×6mm的角钢梁、规格为350×25×5mm的铝板条和M10型螺杆连接成框架结构，由上游入口直段支撑框架61、中游弯道段支撑框架62和下游出口直段支撑框架63三段相互连接组成一体，各段框架结构相同。图5为支撑框架的径向示意图，各段支撑框架由设置在底部的多根框架横梁611，设置在框架横梁上方的多块铝板条613，连接在框架横梁611和板条613之间的多根微调螺杆
612，以及连接在横梁611两端的多根框架立梁614构成。其中，框架横梁611两端焊接在主梁上，框架横梁611中间分布有多个(本实施例为三个)螺孔，微调螺杆612从下往上穿过框架横梁611上的螺孔，微调节螺杆612顶端固定在铝板条613的下表面，用于调节顶部板条的高程，板条用于安装明渠弯道水槽的玻璃底板，通过精细调节该微调螺杆的高度，可以使得明渠弯道水槽玻璃底板的安装误差小于±0.2mm。框架立梁614下端焊接在主梁上，用于安装并支撑明渠弯道水槽的玻璃侧壁。
612，以及连接在横梁611两端的多根框架立梁614构成。其中，框架横梁611两端焊接在主梁上，框架横梁611中间分布有多个(本实施例为三个)螺孔，微调螺杆612从下往上穿过框架横梁611上的螺孔，微调节螺杆612顶端固定在铝板条613的下表面，用于调节顶部板条的高程，板条用于安装明渠弯道水槽的玻璃底板，通过精细调节该微调螺杆的高度，可以使得明渠弯道水槽玻璃底板的安装误差小于±0.2mm。框架立梁614下端焊接在主梁上，用于安装并支撑明渠弯道水槽的玻璃侧壁。
[0035] 本实施例的明渠弯道水槽包括由多块玻璃底板81和玻璃侧壁91构成的上游入口直段水槽、由多块玻璃底板82和玻璃侧壁92构成的中游弯道段水槽及由多块玻璃底板83和玻璃侧壁93构成的下游出口直道段水槽，如图3所示。本实施例的水槽的尺寸参数可与常规的水槽相同，三段水槽的玻璃底板分别平放在支撑框架的板条613上，并相互连通组成明渠弯道水槽的底板；三段水槽的玻璃侧壁紧靠玻璃底板两侧竖直安装，并由支撑框架两侧的框架立梁614支撑。
[0036] 为了保证水槽中游弯道段底板玻璃82在调节各种坡度时能够平顺过渡，本实施例的中游弯道段水槽底板结构如图6、7所示。由多块扇形玻璃821和连接相邻两扇形玻璃的夹具组成。所有扇形玻璃用夹具拼接成弯道底板玻璃82。例如一种具体实施方式是若设计的弯道弧度为180度，则弯道底板玻璃82可由12块相等的弧度中心夹角为14.7°、宽度与水槽宽度相同的扇形玻璃821组成；每块扇面形玻璃821的两个径向边有一铣台822，图6(a)为铣台后的扇形玻璃821平面图，图6(b)为铣台后的扇形玻璃的侧视图；为了将12块扇形玻璃821连为一体，安装在相邻两块玻璃之间的金属夹具由上凸块823、下平块824及连接上凸块823、下平块824的螺钉825组成，图7为用金属夹具安装两相邻扇形玻璃的结构图，其中，金属夹具823位于铣台822的上表面，金属夹具上凸块823上表面与扇形玻璃
821上表面齐平(左右两侧与扇形玻璃之间预留约1mm的空间，以防止相互挤压)，金属夹具下平块824位于铣台822的下表面，上下两块金属夹具由螺钉825固定；最后，将金属夹具下平块824逐个沿弯道径向固定在支撑框架的板条上，即可构成连续平滑的玻璃底板。
821上表面齐平(左右两侧与扇形玻璃之间预留约1mm的空间，以防止相互挤压)，金属夹具下平块824位于铣台822的下表面，上下两块金属夹具由螺钉825固定；最后，将金属夹具下平块824逐个沿弯道径向固定在支撑框架的板条上，即可构成连续平滑的玻璃底板。
[0037] 上述实施例的明渠弯道水槽可以实现全长统一连续调坡，其具体实现方式如图8所示：按照试验要求的坡度旋转驱动齿轮48使得升降螺杆41和43分别上升和下降，从而带动上游入口直段水槽91以固定铰为支点抬升，下游出口直段水槽93则以固定铰为起点引出延长线按比例下降。在中游弯道段水槽92，由微调螺杆612调节支撑框架的板条613的高度，使弯道段玻璃底板82中心线的坡度与上游直段底板玻璃81和下游直段底板玻璃83的坡度一致，全水槽的底板平顺连接，与此同时，依靠金属夹具823和824的强制作用力使每块扇形底板玻璃821扭曲，使之在任何位置上沿径向都是水平的。