一种可控变压非恒定流供水实验装置

摘要

本发明公开了一种可控变压非恒定流供水实验装置，属于实验室高速水流冲击实验技术领域。通过压力自动控制装置接收布设在实验进水管上的压力传感器信号后，自动控制空气压缩机器、高压储气罐、进气阀和排气阀协同工作，达到进水管压力水头降低时高压气体自动补充及压力水头升高时高压气体自动排放，以实现实验中高速水流压力水头的可控。通过压力自动控制装置实现实验进水阀、排污阀及自动充气装置的联动，以供给流量可控的高压高速水流，满足水力冲击实验对高速水流的要求。本发明在满足模型实验高压供水需求的前提下，可以提供预设流量变化过程的高压高速非恒定流，从而满足多种实验场景下模型实验对高压高速水流的要求。

权利要求

1.一种可控变压非恒定流供水实验装置，包括地下水池（9）、水泵（10）、水箱进水阀（11）、水箱进水管（12）、压力水箱（6）、实验进水阀（14）、实验进水管（15）、实验模型（16）、实验排水阀（17）、实验排水管（18）；其特征在于：还包括压力自动控制装置（21），所述实验进水管（15）连接在实验模型（16）的进水口处，所述实验排水管（18）连接在实验模型（16）的出水口处，所述实验进水阀（14）安装于实验进水管（15）上，所述实验排水阀（17）安装于实验排水管（18）上，所述压力水箱（6）底侧出水口与实验进水管（15）连通，所述实验进水阀（14）与压力水箱（6）之间的实验进水管（15）上安装有压力传感器（13）；所述压力水箱（6）顶部连接充气装置，所述充气装置包括空气压缩机（1）、高压储气罐（2）、进气管（3）、进气阀（4）和排气阀（5）；所述压力水箱（6）上部连接有进气管（3），所述进气管（3）呈Y型分叉分别连接进气阀（4）与排气阀（5），所述进气管（3）连接有进气阀（4）一端依次与高压储气罐（2）和空气压缩机（1）连接；所述水泵（10）抽水管与地下水池（9）连接，所述水箱进水阀（11）安装于水箱进水管（12）上，所述水箱进水管（12）两端分别连接在水泵（10）与压力水箱（6）上；

所述空气压缩机（1）、进气阀（4）、排气阀（5）、压力传感器（13）、水泵（10）、水箱进水阀（11）、实验进水阀（14）分别与压力自动控制装置（21）电性相连；所述高压储气罐（2）内的气体压力要大于压力水箱（6）内的气体压力；

所述压力自动控制装置（21）在接收压力传感器（13）的信号后可自动调整空气压缩机（1）、高压储气罐（2）、进气阀（4）和排气阀（5）协同工作，在实验进水管（15）水流压力降低时自动补充高压气体及压力升高时自动排放高压气体；

所述压力自动控制装置（21）内预设流量变化过程的高速水流数值，提供预设流量变化过程的高压高速水流，满足水力冲击模型对高压高速水流的要求；

实验过程中压力自动控制装置（21）通过三种方式提供预设变化过程的高压高速水流：

（1）、实验开始前调整水箱进水管（12）内的流量为实验最终流量，实验过程中通过指令开启实验进水阀（14）的同时关闭排污阀（19），以达到实验要求的最终流量，此过程中进气阀（4）无动作；

（2）、实验开始前调整水箱进水管（12）流量为实验初始流量，实验过程中通过指令增大水泵（10）功率至最大流量所需要的功率，同时开启实验进水阀（14），以达到实验要求的高压高速水流；

（3）、实验开始前调整水箱进水管（12）内水流流量大于实验最终流量，实验过程中通过指令开启水箱进水阀（11）和进气阀（4）；当压力自动控制装置（21）监测到压力传感器（13）的数值低于实验要求时，首先打开进气阀（4），高压储气罐（2）内的气体在压力作用下进入压力水箱（6），以提升实验进水管（15）内水流压力；当水流压力恢复到实验要求范围后，进气阀（4）关闭，完成压力自动控制；若高压储气罐（2）内的气体不足以提升实验进水管（15）内的水流压力至实验需求压力范围时，压力自动控制装置（21）将打开空气压缩机（1）对高压储气罐（2）进行补气以保证高速水流的压力在合理范围内波动，满足模型实验对高压高速非恒定水流的需求。

2.根据权利要求1所述的一种可控变压非恒定流供水实验装置，其特征在于：所述压力水箱（6）靠近顶部侧边安装有与地下水池（9）连通的溢流管（7），所述溢流管（7）上安装有溢流阀（8）。

3.根据权利要求2所述的一种可控变压非恒定流供水实验装置，其特征在于：所述压力水箱（6）底端安装有排污管（20），所述排污管（20）上安装有排污阀（19），所述压力自动控制装置（21）与排污阀（19）电性连接。

说明书

一种可控变压非恒定流供水实验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及实验室高速水流冲击实验技术领域，尤其涉及一种可控变压非恒定流供水实验装置。

背景技术

[0002] 在实际的现场科研工作中，由于一些技术问题的限制，难以在现场建立有效的研究措施，需要在实验室建立相应的实验模型进行机理研究。随着研究的深入发展，越来越多科学问题的模型研究需要利用不同压力下的高压高速水流进行水力冲击实验的研究，且需
要提供稳定压力水头的保证高压高速水流压力水头的稳定，以保证模型实验数据的准确
性。常规实验室供水装置只能提供常压或高压下的恒定水流，压力水头难以保持恒定，且无法提供预设流量变化过程的高速水流。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了解决常规实验装置不能提供稳定高压及预设流量变化水流的问题而提出的一种可控变压非恒定流供水实验装置。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

[0005] 一种可控变压非恒定流供水实验装置，包括地下水池、水泵、水箱进水阀、水箱进水管、压力水箱、实验进水阀、实验进水管、实验模型、实验排水阀、实验排水管；还包括压力自动控制装置，所述实验进水管、实验排水管分别连接在实验模型的进出水口处，所述实验进水阀安装于实验进水管上，所述实验排水阀安装于实验排水管上，所述压力水箱底侧出水口与实验进水管连通；所述压力水箱上部连接有进气管，所述进气管呈Y型分叉分别连接进气阀与排气阀，所述进气管连接有进气阀一端依次与高压储气罐和空气压缩机连接；所
述水泵抽水管与地下水池连接，所述水箱进水阀安装于水箱进水管上，所述水箱进水管两
端分别连接在水泵与压力水箱上，所述实验排水阀出水口连接在地下水池上。

[0006] 优选的，所述空气压缩机、进气阀、排气阀、压力传感器、水泵、水箱进水阀、实验进水阀分别与压力自动控制装置相连。

[0007] 优选的，所述空气压缩机、进气阀、排气阀、压力传感器、水泵、水箱进水阀、实验进水阀分别与压力自动控制装置相连。

[0008] 优选的，所述压力自动控制装置在接收压力传感器的信号后可自动调整空气压缩机、高压储气罐、进气阀和排气阀协同工作，所述实现实验进水管压力水头降低时高压气体自动补充及压力升高时高压气体自动排放，保证实验中高速水流压力水头的可控。

[0009] 优选的，所述高压储气罐内的气体压力要大于压力水箱内的气体压力。

[0010] 优选的，所述压力自动控制装置内预设流量变化过程的高速水流数值，提供预设流量变化过程的高压高速水流，满足水力冲击模型对高压高速水流的要求。

[0011] 优选的，所述压力水箱靠近顶部侧边安装有与地下水池连通的溢流管，所述溢流管上安装有溢流阀，所述压力水箱底端安装有排污管，所述排污管上安装有排污阀，所述压力自动控制装置排污阀连接。

[0012] 与现有技术相比，本发明提供了一种可控变压非恒定流供水实验装置，具备以下有益效果：

[0013] 本发明通过压力自动控制装置自动控制空气压缩机、高压储气罐、进气阀和排气阀联合动作对压力水箱内部的高压气体进行调节，以实现实验中高压水流压力水头的可控
可变。利用压力自动控制装置，实现实验进水管压力降低时高压气体自动补充及压力升高
时高压气体自动排放，以保证实验水流压力的稳定性。压力自动控制装置还可根据预设的
压力和流量变化过程，自动调节水泵、水箱进水阀、实验进水阀和排污阀协同工作，实现预设流量变化过程的高压高速水流，这对解决有稳定高压高速水流需求的模型实验具有十分
重要的作用。

附图说明

[0014] 图1为本发明提出的一种可控变压非恒定流供水实验装置一具体实施例的常压实验室供水装置示意图；

[0015] 图2为本发明提出的一种可控变压非恒定流供水实验装置一具体实施例的充气装置示意图；

[0016] 图3为本发明提出的一种可控变压非恒定流供水实验装置一具体实施例的实验室高压供水装置示意图；

[0017] 图4为本发明提出的一种可控变压非恒定流供水实验装置一具体实施例的带有压力自动控制装置的实验室高压供水装置示意图。

[0018] 图号说明：1、空气压缩机；2、高压储气罐；3、进气管；4、进气阀；5、排气阀；6、压力水箱；7、溢流管；8、溢流阀；9、地下水池；10、水泵；11、水箱进水阀；12、水箱进水管；13、压力传感器；14、实验进水阀；15、实验进水管；16、实验模型；17、实验排水阀；18、实验排水管；19、排污阀；20、排污管；21、压力自动控制装置。

具体实施方式

[0019] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0020] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0021] 实施例1：

[0022] 一种可控变压非恒定流供水实验装置，包括：地下水池9、水泵10、水箱进水阀11、水箱进水管12、压力水箱6、压力传感器13、实验进水阀14、实验进水管15、实验模型16、实验排水阀17、实验排水管18依次连接；空气压缩机1、高压储气罐2通过进气管3与压力水箱6连接，压力自动控制装置21分别连接空气压缩机1、高压储气罐2、进气阀4、排气阀5、水泵10、水箱进水阀11、实验进水阀14、排污阀19和压力传感器13。

[0023] 本实施例适用于可控变压高速水流供水工况。常规实验室常压供水装置设计如图1所示，水流由水泵10从地下水池9经过水箱进水管12输送到压力水箱6中。压力水箱6顶部
为自由液面，因而实验进水管15处的压力为水深产生的静压。对于可控高压恒定高速水流
供水工况，可将压力水箱6上部进行密封，由充气装置对压力水箱6进行充气加压。充气装置如图2所示，主要包含空气压缩机1，高压储气罐2，进气管3，进气阀4以及排气阀5组成。当进行可控高压高速水流供水实验时，可由充气装置对压力水箱6进行充气，以提升实验进水水流的压力水头，进而可开展高压水力学实验，高压供水装置如图3所示。

[0024] 实验开始前，开启水泵10，在压力水箱6内注入一定深度的水体，采用逆势注水的方式，避免实验过程中压力水箱6内的气体进入实验进水管15。在压力自动控制装置21中输入实验所需要的压力水头及流量。压力自动控制装置21通过指令自动开启空气压缩机1及
进气阀4，在压力水箱6内充入一定量的空气。随后开启排污阀19和实验进水阀14，调整实验进水管15内的水流流量为模型实验所需要的流量。当实验进水管15内的水流达到稳定状态
时，即可开展高压恒定高速水流的水力学实验。

[0025] 实验过程中，由压力自动控制装置21监测实验进水管15内水流的压力，调整相应的阀门及充气装置，以满足模型实验对高速恒定水流稳定压力的要求。带有压力自动控制
装置21的可控变压非恒定流供水实验装置如图4所示。在实验进水管15布设压力传感器13，压力自动控制装置21主要监测实验进水管15进口处高速水流的压力水头，协同控制空气压
缩机1，进气阀4，排气阀5，实验进水阀14，排污阀19和水泵10。具体的工作方式为：(1)当压力自动控制装置21监测到压力传感器13的数值低于实验要求时，首先打开进气阀4，高压储气罐2内的气体在压力作用下进入压力水箱6，以提升实验进水管15内水流压力。当水流压
力恢复到实验要求范围后，进气阀4关闭，完成压力自动控制。若高压储气罐2内的气体不足以提升实验进水管15内的水流压力至实验需求压力范围时，压力自动控制装置21将打开空
气压缩机1对高压储气罐2进行补气，以满足模型实验对高压高速恒定水流的需求。(2)当压力自动控制装置21监测到压力传感器13的压力数值高于实验需求的压力时，打开排气阀5，释放压力水箱6内的部分空气。当压力传感器13的数值恢复至实验所需求的压力范围时，排气阀5关闭。此种工况适合对恒定入流压力水头的稳定性有较高要求的水力学实验工况。

[0026] 实施例2：

[0027] 本发明适用于可控变压的高速水流实验工况。实验开始前，在压力自动控制装置21中输入实验所需要的压力水头及流量曲线。压力自动控制装置21通过指令自动开启空气
压缩机1及进气阀4，在压力水箱6内充入满足压力要求的气体。实验过程中压力自动控制装置21可通过三种方式提供预设变化过程的高压高速水流：(1)实验开始前调整水箱进水管
12内的流量为实验最终流量，实验过程中通过指令开启实验进水阀14的同时关闭排污阀
19，以达到实验要求的最终流量，此过程中进气阀4无动作；(2)实验开始前调整水箱进水管
12流量为实验初始流量，实验过程中通过指令增大水泵10功率至最大流量所需要的功率，
同时开启实验进水阀14，以达到实验要求的高压高速水流；(3)实验开始前调整水箱进水管
12内水流流量大于实验最终流量，实验过程中通过指令开启水箱进水阀11和进气阀4。当压力自动控制装置21监测到压力传感器13的数值低于实验要求时，首先打开进气阀4，高压储气罐2内的气体在压力作用下进入压力水箱6，以提升实验进水管15内水流压力。当水流压
力恢复到实验要求范围后，进气阀4关闭，完成压力自动控制。若高压储气罐2内的气体不足以提升实验进水管15内的水流压力至实验需求压力范围时，压力自动控制装置21将打开空
气压缩机1对高压储气罐2进行补气以保证高速水流的压力在合理范围内波动，满足模型实
验对高压高速非恒定水流的需求。

[0028] 以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。