一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统，分层水槽内首端设置有上层进水井、下层进水井，位于上层进水井和下层进水井出水侧的首端稳流消波装置，上层进水井和下层进水井连接首端水平分隔板的一端。分层水槽内的尾端设置有上层出水井、下层出水井，位于上层出水井和下层出水井进水侧的尾端稳流消波装置，上层出水井和下层出水井连接尾端水平分隔板的一端。上层进水井通过上层流体循环管路系统与上层出水井相连接，下层进水井通过下层流体循环管路系统与下层出水井相连接。本发明可用于湖库温度分层、海洋密度分层、两层流体界面内波等物理模拟试验研究，为分层流的物理模拟提供多功能试验平台，更好地满足分层流的研究需求。
1.一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统，包括分层水槽（1），其特征在于，所述分层水槽（1）内的首端设置有上层进水井（2）、下层进水井（3），以及位于上层进水井（2）和下层进水井（3）出水侧的首端稳流消波装置（4），所述的上层进水井（2）和下层进水井（3）连接首端水平分隔板（10）的一端，并通过所述的首端水平分隔板（10）形成上层进水井（2）的出水通道和下层进水井（3）的出水通道，所述首端水平分隔板（10）的另一端水平贯穿首端稳流消波装置（4）的中部位于所述首端稳流消波装置（4）的出水侧，所述分层水槽（1）内的尾端设置有上层出水井（5）、下层出水井（6），以及位于上层出水井（5）和下层出水井（6）进水侧的尾端稳流消波装置（7），所述的上层出水井（5）和下层出水井（6）连接尾端水平分隔板（11）的一端，并通过所述的尾端水平分隔板（11）形成上层出水井（5）的进水通道和下层出水井（6）的进水通道，所述尾端水平分隔板（11）的另一端贯穿尾端稳流消波装置（7）位于所述尾端稳流消波装置（7）的入水侧，所述上层进水井（2）通过上层流体循环管路系统（8）与所述上层出水井（5）相连接，所述下层进水井（3）通过下层流体循环管路系统（9）与下层出水井（6）相连接；
所述的上层进水井（2）和下层进水井（3）之间通过首端纵向分隔板（12）分割，并且，上层进水井（2）通过位于下部分的首端上层流体横向分隔板（13）形成独立的水井结构，所述下层进水井（3）通过位于上部的首端下层流体横向分隔板（14）形成独立的水井结构，其中，所述首端上层流体横向分隔板（13）的顶端连接所述的首端水平分隔板（10），形成上出水通道，所述首端下层流体横向分隔板（14）的底端连接所述的首端水平分隔板（10），形成下出水通道，所述的上层进水井（2）内设置有连接上层流体循环管路系统（8）的出水端口的上层流体进水口（15），所述的下层进水井（3）内设置有连接下层流体循环管路系统（9）的出水端口的下层流体进水口（16）；
所述的上层出水井（5）和下层出水井（6）之间通过尾端纵向分隔板（17）分割，并且，上层出水井（5）通过位于下部分的尾端上层流体横向分隔板（18）形成独立的水井结构，所述下层出水井（6）通过位于上部的尾端下层流体横向分隔板（19）形成独立的水井结构，其中，所述尾端上层流体横向分隔板（18）的顶端连接所述的尾端水平分隔板（11），形成上进水通道，所述尾端下层流体横向分隔板（19）的底端连接所述的尾端水平分隔板（11），形成下进水通道，所述的上层出水井（5）内设置有连接上层流体循环管路系统（8）的进水端口的上层流体出水口（20），所述的下层出水井（6）内设置有连接下层流体循环管路系统（9）的进水端口的下层流体出水口（21）；
所述的首端稳流消波装置（4）和尾端稳流消波装置（7）结构相同，均包括有稳流管阵列（4.1/7.1）、位于所述稳流管阵列（4.1/7.1）进水侧的进水海棉层（4.2/7.2）和位于所述稳流管阵列（4.1/7.1）出水侧的出水海棉层（4.3/7.3）。
2.根据权利要求1所 述的一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统，其特征在于，所述的上层流体进水口（15）和下层流体进水口（16）为多孔消能结构。
3.根据权利要求1所述的一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统，其特征在于，所述的上层流体出水口（20）和下层流体出水口（21）为多孔消能结构。
4.根据权利要求1所述的一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统，其特征在于，所述的上层流体循环管路系统（8）和下层流体循环管路系统（9）结构相同，在尾端侧的管路上均由进水侧开始依次设置有：尾端检修阀（8.1/9.1）、尾端节制阀(8.2/9.2)和管道泵(8.3/9.3)，在首端侧的管路上均由进水侧开始依次设置有：流量控制阀(8.5/
9.5)、流量计(8.6/9.6)、首端节制阀(8.7/9.7)和首端检修阀(8.8/9.8)，其中，所述管道泵(8.3/9.3)上并联连接有回流调节阀(8.4/9.4)。
一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种分层流物理模拟试验水槽系统。特别是涉及一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统。
背景技术
[0002] 流体分层是一种常见的自然现象，主要发生在海洋、湖泊、水库及河口等地区，主要因不同深度水体的温度、溶解质含量、泥沙含量等不同造成水体密度差异而形成。分层流对于水利工程建设、生态环境保护、国民生产生活等方面均具有重要影响。温度分层可抑制水体物质交换，造成水环境恶化；湖泊、水库等水源处的水质可直接影响工农业生产与居民生活；水库温度分层导致下泄水温异常将影响下游鱼类的生存繁殖；利用异重流可改善水库淤积情况与下游河道冲刷平衡；河口处海水上溯形成盐水楔将影响两岸城市用水；海洋的温盐分层是海洋物理环境的重要影响因素之一。因此，开展分层流体研究对于工程建设、生态环境、生产生活等方面均具有重要价值。
[0003] 物理模拟方法是研究分层流的重要手段，目前国内外已有多种不同类型的试验水槽用于分层流模拟。例如，我国西安建筑科技大学利用温度分层试验水槽模拟湖库温度分层；上海交通大学利用重力式分层水槽系统模拟海水密度分层环境；中国海洋大学利用密度分层水槽对分层流展开了大量的模拟研究；约翰斯·霍普金斯大学利用密度分层水槽对分层流体内波进行模拟。然而，现有的分层流试验水槽系统往往存在功能单一的局限性，在模拟分层流体的同时无法实现造流功能。实际情况中，流体分层现象往往存在于一定的速度场中，例如，海水的密度分层与潮汐共存，异重流的推移、河口处形成的分层流均具有一定流速，分层流体界面波动也往往是波与流相互作用的结果。因此，为了更准确地进行分层流体的物理模拟试验与研究，急需一种可同时模拟流体分层和背景流速的分层流物理模拟水槽系统。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种在模拟分层流体的同时实现造流功能的能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统，包括分层水槽，其特征在于，所述分层水槽内的首端设置有上层进水井、下层进水井，以及位于上层进水井和下层进水井出水侧的首端稳流消波装置，所述的上层进水井和下层进水井连接首端水平分隔板的一端，并通过所述的首端水平分隔板形成上层进水井的出水通道和下层进水井的出水通道，所述首端水平分隔板的另一端水平贯穿首端稳流消波装置的中部位于所述首端稳流消波装置的出水侧，所述分层水槽内的尾端设置有上层出水井、下层出水井，以及位于上层出水井和下层出水井进水侧的尾端稳流消波装置，所述的上层出水井和下层出水井连接尾端水平分隔板的一端，并通过所述的尾端水平分隔板形成上层出水井的进水通道和下层出水井的进水通道，所述尾端水平分隔板的另一端贯穿尾端稳流消波装置位于所述尾端稳流消波装置的入水侧，所述上层进水井通过上层流体循环管路系统与所述上层出水井相连接，所述下层进水井通过下层流体循环管路系统与下层出水井相连接。
[0006] 所述的上层进水井和下层进水井之间通过首端纵向分隔板分割，并且，上层进水井通过位于下部分的首端上层流体横向分隔板形成独立的水井结构，所述下层进水井通过位于上部的首端下层流体横向分隔板形成独立的水井结构，其中，所述首端上层流体横向分隔板的顶端连接所述的首端水平分隔板，形成上出水通道，所述首端下层流体横向分隔板的底端连接所述的首端水平分隔板，形成下出水通道，所述的上层进水井内设置有连接上层流体循环管路系统的出水端口的上层流体进水口，所述的下层进水井内设置有连接下层流体循环管路系统的出水端口的下层流体进水口。
[0007] 所述的上层流体进水口和下层流体进水口为多孔消能结构。
[0008] 所述的上层出水井和下层出水井之间通过尾端纵向分隔板分割，并且，上层出水井通过位于下部分的尾端上层流体横向分隔板形成独立的水井结构，所述下层出水井通过位于上部的尾端下层流体横向分隔板形成独立的水井结构，其中，所述尾端上层流体横向分隔板的顶端连接所述的尾端水平分隔板，形成上进水通道，所述尾端下层流体横向分隔板的底端连接所述的尾端水平分隔板，形成下进水通道，所述的上层出水井内设置有连接上层流体循环管路系统的进水端口的上层流体出水口，所述的下层出水井内设置有连接下层流体循环管路系统的进水端口的下层流体出水口。
[0009] 所述的上层流体出水口和下层流体出水口为多孔消能结构。
[0010] 所述的上层流体循环管路系统和下层流体循环管路系统结构相同，在尾端侧的管路上均由进水侧开始依次设置有：尾端检修阀、尾端节制阀和管道泵，在首端侧的管路上均由进水侧开始依次设置有：流量控制阀、流量计、首端节制阀和首端检修阀，其中，所述管道泵上并联连接有回流调节阀。
[0011] 所述的首端稳流消波装置和尾端稳流消波装置结构相同，均包括有稳流管阵列、位于所述稳流管阵列进水侧的进水海棉层和位于所述稳流管阵列出水侧的出水海棉层。
[0012] 本发明的一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统，可制备具有不同上下层流体水深比的温度或盐度分层流体，可模拟上下层流体具有相同平均流速的均匀背景流速、上下层流体具有不同流速的剪切背景流速，在模拟分层流体的同时实现造流功能，模拟具有均匀或剪切背景流速的分层流，可用于湖库温度分层、海洋密度分层、两层流体界面内波等物理模拟试验研究，为分层流的物理模拟提供多功能试验平台，更好地满足分层流的研究需求。
附图说明
[0013] 图1是本发明一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统的整体结构示意图；
[0014] 图2是图1的正视图；
[0015] 图3是图1的俯视图；
[0016] 图4是图1的仰视图；
[0017] 图5是图2的A-A剖面图；
[0018] 图6是图3的B-B剖面图；
[0019] 图7是实施例所制备的分层流体实景图；
[0020] 图8是实施例所制备分层流体密度剖面图。
[0021] 图中
[0022] 1：分层水槽 2：上层进水井
[0023] 3：下层进水井 4：首端稳流消波装置
[0024] 4.1：稳流管阵列 4.2：进水海棉层
[0025] 4.3：出水海棉层 5：上层出水井
[0026] 6：下层出水井 7：尾端稳流消波装置
[0027] 7.1稳流管阵列 7.2：进水海棉层
[0028] 7.3：出水海棉层 8：上层流体循环管路系统[0029] 8.1：尾端检修阀 8.2：尾端节制阀
[0030] 8.3：管道泵 8.4：回流调节阀
[0031] 8.5：流量控制阀 8.6：流量计
[0032] 8.7：首端节制阀 8.8：首端检修阀
[0033] 9：下层流体循环管路系统 9.1：尾端检修阀
[0034] 9.2：尾端节制阀 9.3：管道泵
[0035] 9.4：回流调节阀 9.5：流量控制阀
[0036] 9.6：流量计 9.7：首端节制阀
[0037] 9.8：首端检修阀 10：首端水平分隔板
[0038] 11：尾端水平分隔板 12：首端纵向分隔板
[0039] 13：首端上层流体横向分隔板 14：首端下层流体横向分隔板[0040] 15：上层流体进水口 16：下层流体进水口
[0041] 17：尾端纵向分隔板 18：尾端上层流体横向分隔板[0042] 19：尾端下层流体横向分隔板 20：上层流体出水口
[0043] 21：下层流体出水口
具体实施方式
[0044] 下面结合实施例和附图对本发明的一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统做出详细说明。
[0045] 如图1、图2、图3、图5、图6所示，本发明的一种能够模拟背景流速的分层流物理模拟试验水槽系统，包括分层水槽1，所述分层水槽1采用钢结构框架，分层水槽壁面为钢化玻璃，分层水槽底部为PVC板，循环管道系统安装于分层水槽底部。所述分层水槽1内的首端设置有上层进水井2、下层进水井3，以及位于上层进水井2和下层进水井3出水侧的首端稳流消波装置4，所述的上层进水井2和下层进水井3连接首端水平分隔板10的一端，并通过所述的首端水平分隔板10形成上层进水井2的出水通道和下层进水井3的出水通道，所述首端水平分隔板10的另一端水平贯穿首端稳流消波装置4的中部，位于所述首端稳流消波装置4的出水侧，所述分层水槽1内的尾端设置有上层出水井5、下层出水井6，以及位于上层出水井5和下层出水井6进水侧的尾端稳流消波装置7，所述的上层出水井5和下层出水井6连接尾端水平分隔板11的一端，并通过所述的尾端水平分隔板11形成上层出水井5的进水通道和下层出水井6的进水通道，所述尾端水平分隔板11的另一端贯穿尾端稳流消波装置7的中部，位于所述尾端稳流消波装置7的入水侧，所述上层进水井2通过上层流体循环管路系统8与所述上层出水井5相连接，所述下层进水井3通过下层流体循环管路系统9与下层出水井6相连接。
[0046] 如图2、图3、图5、图6所示，所述的上层进水井2和下层进水井3之间通过首端纵向分隔板12分割，并且，上层进水井2通过位于下部分的首端上层流体横向分隔板13形成独立的水井结构，所述下层进水井3通过位于上部的首端下层流体横向分隔板14形成独立的水井结构，其中，所述首端上层流体横向分隔板13的顶端连接所述的首端水平分隔板10，形成上出水通道，所述首端下层流体横向分隔板14的底端连接所述的首端水平分隔板10，形成下出水通道，所述的上层进水井2内设置有连接上层流体循环管路系统8的出水端口的上层流体进水口15，所述的下层进水井3内设置有连接下层流体循环管路系统9的出水端口的下层流体进水口16。所述上层流体进水口15和下层流体进水口16为多孔消能结构。可有效地减小进水口流体动能，分散流体流速；当流体由进水口流入进水井后，上层流体由进水井导入水槽上层，下层流体由进水井导入水槽下层；
[0047] 如图2、图3、图5、图6所示，所述的上层出水井5和下层出水井6之间通过尾端纵向分隔板17分割，并且，上层出水井5通过位于下部分的尾端上层流体横向分隔板18形成独立的水井结构，所述下层出水井6通过位于上部的尾端下层流体横向分隔板19形成独立的水井结构，其中，所述尾端上层流体横向分隔板18的顶端连接所述的尾端水平分隔板11，形成上进水通道，所述尾端下层流体横向分隔板19的底端连接所述的尾端水平分隔板11，形成下进水通道，所述的上层出水井5内设置有连接上层流体循环管路系统8的进水端口的上层流体出水口20，所述的下层出水井6内设置有连接下层流体循环管路系统9的进水端口的下层流体出水口21。所述上层流体出水口20和下层流体出水口21为多孔消能结构，以分散流体流速。
[0048] 如图4所示，所述的上层流体循环管路系统8和下层流体循环管路系统9结构相同，在尾端侧的管路上均由进水侧开始依次设置有：尾端检修阀8.1/9.1、尾端节制阀8.2/9.2和管道泵8.3/9.3，在首端侧的管路上均由进水侧开始依次设置有：流量控制阀8.5/9.5、流量计8.6/9.6、首端节制阀8.7/9.7和首端检修阀8.8/9.8，其中，所述管道泵8.3/9.3上并联连接有回流调节阀8.4/9.4。
[0049] 如图1、图2、图3、图5、图6所示，所述的首端稳流消波装置4和尾端稳流消波装置7结构相同，均包括有稳流管阵列4.1/7.1、位于所述稳流管阵列4.1/7.1进水侧的进水海棉层4.2/7.2和位于所述稳流管阵列4.1/7.1出水侧的出水棉层4.3/7.3。
[0050] 下面给出具体实施例如下：
[0051] 本实施例采用的分层水槽1纵向长度10m，宽度0.5m，高度1m；首端水平分隔板10、尾端水平分隔板11的纵向长度均为1.2m，安装高度0.5m，首端稳流消波装置4和尾端稳流消波装置7的纵向长度为0.6m；管道泵8.3、9.3采用离心泵，额定流量40m3/h；上层流体循环管路系统8和下层流体循环管路系统9中阀门均为球阀；流量计8.6、9.6为电磁流量计；利用盐度差异制备密度分层水体，上层水体为自来水，实测密度998kg/m3，水深0.3m，下层水体密度1004kg/m3，水深0.5m。
[0052] 制备分层流体时，先制备下层高密度水体。关闭流量控制阀9.5、尾端检修阀9.1、尾端节制阀9.2，首端节制阀9.7外接上水管，水体由下层进水井3进入水槽下层；当下层水体液面与首端水平分隔板10和尾端水平分隔板11齐平时关闭首端节制阀9.7；向下层水体中添加适量工业盐使其密度达到1004kg/m3，并投入适量红色显色剂以区分上、下层水体，开启管道泵9.3，利用流动使水体中盐分与染色剂扩散均匀，随后关闭管道泵9.3，完成下层水体的制备；制备上层低密度水体时，关闭流量控制阀8.5，首端节制阀8.7外接上水管，水体由上层进水井2进入水槽上层，为避免上、下两层水体界面过度掺混，应使上层水体的入流量足够小；为使上、下两层水体界面更清晰，开启尾端节制阀8.2，使部分上层流体经上层出水井5排出水槽，在上、下两层流体界面间形成剪切流动，此时应控制上层水体的出流量小于入流量；当上层水体深度达0.3m时关闭首端节制阀8.7和尾端节制阀8.2，完成分层流体的制备。本实施例所制备的分层流体及密度剖面分别见图7、图8。图7中a是自由液面，b是上层低密度水体，c是下层高密度水体。
[0053] 背景流速依据具体试验工况设置，根据流量调节方案独立控制上层流体循环管路系统8和下层流体循环管路系统9的流量；当上层流体循环管路系统8和下层流体循环管路系统9流量均为零时，分层流的背景流速为零；调节上层流体循环管路系统8和下层流体循环管路系统9流量使上、下两层水体断面平均流速相同时，可形成均匀背景流速；当上、下两层流体断面平均流速不同时，可形成具有不同剪切流速的分层流。应注意的是，为避免流量调节过程对分层流体造成过大的扰动，调节流量操作应平稳缓慢，不可激增骤减循环管路系统的流量。
