無壓流-有壓流綜合實驗平臺設計及應用

袁 岳, 戎貴文, 肖柏青, 沈齊婷

(安徽理工大學 地球與環境學院, 安徽 淮南 232001)

無壓流-有壓流綜合實驗平臺設計及應用

袁 岳, 戎貴文, 肖柏青, 沈齊婷

(安徽理工大學 地球與環境學院, 安徽 淮南 232001)

為了克服水力學實驗裝置測試內容單一、占地大、成本高等缺陷,在研究傳統水力學實驗裝置和流體流動基本原理的基礎上,自主研制開發了一套無壓流-有壓流綜合實驗平臺。該實驗平臺采用旋轉方式創造性地將多種明渠流實驗和有壓流實驗集為一身,實現了在同一平臺上開展多種水力學實驗、測定多種水力參數的目的,能夠節約大量實驗空間、實驗成本和實驗用水。該實驗平臺應用表明:該平臺可供學生自行設計實驗內容、確定實驗目標和調整測試項目,能滿足綜合性、設計性和創新性等實驗需要。

實驗平臺; 水力參數；無壓流； 有壓流

水力學實驗在水力學學科發展中占有很重要的地位,是整個水力學理論教學不可替代的環節[1]。然而目前高等學校的水力學實驗教學仍存在諸多與現代高等教育理念不相適應之處,例如實驗平臺不完善、功能單一,一個實驗裝置只能滿足一類實驗需要,實驗多為演示性、驗證性實驗,缺乏新意,很難激發學生自主學習與創新的興趣,不利于培養學生的創新意識和創新能力[2]。現有的明渠流實驗裝置和有壓流實驗裝置功能單一、設備體積大、占用實驗室面積多、成本高,致使配置的實驗裝置臺套數都較少,尤其是高校擴招后,傳統的明渠實驗裝置和有壓流實驗裝置難以滿足實驗教學和創新能力培養的需要,嚴重影響工科高校水力學的實驗教學和創新驅動[3]。

為此，本文在研究傳統水力學實驗裝置和流體流動基本原理的基礎上,采用旋轉方式創造性地將多種水力學明渠實驗和有壓流實驗集為一身,自主研制開發了一套無壓流-有壓流綜合實驗平臺。該實驗平臺實現了在同一平臺上開展多種水力學實驗、測定多種水力參數的目的,具有節約大量實驗空間、實驗成本和實驗用水的優點,能夠滿足高校創新創業訓練計劃等現代教學的要求。

1 綜合實驗平臺

1.1 實驗平臺設計思路

長期以來,受傳統觀念等方面的限制,水力學實驗大多以單一的驗證性實驗為主[4]。為了促進高等學校轉變教育思想觀念,改革人才培養模式,強化創新創業能力訓練,增強高校學生的創新能力和在創新基礎上的創業能力的培養,培養適應創新型國家建設需要的高水平創新人才,高校要高度重視大學生創新創業訓練計劃對推動人才培養模式改革的重要意義,重視大學生創新創業訓練計劃實施的條件建設[5]。本文設計的無壓流-有壓流綜合實驗平臺,將傳統的明渠流實驗和有壓流實驗的多種實驗水槽、壓力管和回水槽安裝在一個旋轉實驗平臺上,旋轉軸和弧形固定翼連接構成平臺的旋轉結構,旋轉軸通過兩端支架支撐,旋轉測定系統主體為4個對稱的水槽和4個對稱的回水槽,其中的2個水槽為有壓流實驗槽,分別裝有等直徑圓形管和變直徑圓形管,另外的2個水槽為明渠流實驗槽,回水槽設置在槽底與旋轉軸之間。同時,綜合實驗平臺設計有水箱和固定水槽系統。裝置的特殊設計實現了在一個水箱、一個固定水槽系統和一個旋轉測定系統組成的實驗平臺上開展多種明渠流和有壓流實驗,測定多種類型實驗水力參數的目的。不僅節約水泵和水箱,而且節省實驗占地面積和空間,符合我國資源節約型社會建設要求。

1.2 實驗平臺結構

如圖1所示,該實驗平臺由旋轉測定系統、固定水槽系統和水箱3部分組成。旋轉測定系統由4個對稱的水槽組成,其中的2個水槽為有壓流實驗槽,分別裝有等直徑圓形管和變直徑圓形管,另外的2個水槽為明渠流實驗槽。4個水槽的槽底末端均留有許多出水孔,并與回水槽進口相通,每個水槽與旋轉軸之間設有回水槽,在水槽和回水槽右端設有擋水板。相鄰的2個水槽之間通過30°弧形固定翼連接,弧形固定翼與旋轉軸連接固定,旋轉軸通過軸承置于2個支架之間。旋轉測定系統每次旋轉90°,其中一個水槽及其下部的回水槽與固定水槽系統的固定水槽和固定回水槽能夠組成一種自循環水力學實驗裝置。從回水槽(見圖1(c))的進水口到固定回水槽出水口組成的整條回水槽的橫截面是逐漸增大的等腰三角形,形成由右向左的正坡,保證水流能夠回流到儲水箱中。

圖1 實驗平臺結構及部件圖

固定水槽系統位于水箱和旋轉測定系統之間,固定水槽系統由上部的固定水槽和下部的固定回水槽組成,固定水槽系統的進水口端連接固定在梯形出水口處,固定水槽系統的固定回水槽出水口與儲水箱上的三角量水堰連通。

水箱為兩層三箱結構,包括下層的儲水箱、上層的穩水箱和溢流箱。儲水箱靠近固定水槽系統一側的壁面上設有三角量水堰,三角量水堰與固定回水槽出水口連通,穩水箱靠近固定水槽系統一側的壁面上設有明渠流的梯形出水口,儲水箱和穩水箱通過壓力管連通,壓力管上設有抽水泵,儲水箱和溢流箱通過溢水回流孔連通。穩水箱和溢流箱之間設有溢流裝置,如圖1(d)所示,實驗中水流流量通過旋轉螺紋桿調節溢流板高度來控制。儲水箱下部設有排水口,當實驗平臺長久不用或者需要進行維護時,可以打開排水口排出水箱中的水。

上述無壓流-有壓流綜合實驗平臺在實驗時,旋轉測定系統每旋轉90°能夠組成一類水力學實驗裝置,旋轉測定系統的水槽與固定水槽系統的固定水槽、水箱出水口連成一體,相應的回水槽與水箱回水口也連接在一起,形成一個自循環系統。旋轉測定系統的水槽底坡能夠通過支架上的升降閥調節。

1.3 實驗平臺功能

本實驗平臺具有開展常規無壓流和有壓流實驗的功能。當做明渠流實驗時,不同的明渠水槽上能夠設置不同的水工建筑物,用來完成不同的明渠實驗,如矩形薄壁堰流實驗、曲線型實用堰流實驗、明渠水槽中開展圓柱繞流實驗、明渠水躍和水跌實驗[6-7]；當做有壓流實驗時,固定水槽系統中的水槽頂部用頂板密封,頂板與水槽擋板通過橡皮圈無縫銜接封閉,利用旋轉測定系統中的等直徑圓形管、變直徑圓形管,完成不同的有壓流實驗,通過折疊測壓管可以觀察管中相應位置的水位,測定沿程阻力和局部阻力系數等[1,3,6]。還可以在本實驗平臺上進行改造,完成創新性實驗和相關水力參數的測定,如在明渠水槽中布置模型沙進行泥沙推移(跳躍、滾動、滑動)運動和懸移運動等實驗[8],布置丁壩、順壩或鎖壩開展水工整治建筑物附近流場、自由水面變化和紊動現象等觀察實驗[9],布置水草開展植被水流運動特性實驗[10],布置彎道開展彎道水流運動實驗研究[11]，在有壓管中開展文透里實驗,粗細不同管徑的沿程阻力實驗和局部阻力實驗[12]。

2 實驗平臺使用模式與方法

2.1 實驗平臺使用模式

堅持“開放式、啟發式”實驗模式,最大限度地發揮學生的主動性、能動性和創造性,促進學生主動探索性學習,提高學生的學習興趣。實驗平臺的使用模式可歸納為：(1)使用前,教師提出實驗目的和要求,學生自行擬定實驗方案、設計實驗思路，注重培養學生的獨立思考能力和創新設計能力；(2)使用中學生獨立摸索實驗平臺水箱、固定水槽系統和旋轉測定系統各組成部件的功能和使用方法,根據擬定的實驗方案、實驗思路親自動手實施,必要時,允許學生自己制作、改裝相應的部件進行探索性實驗，注重培養學生的動手能力和實踐能力；(3)學生獨立從實驗數據和實驗現象中分析相關實驗的水動力特性,查閱國內外相關實驗資料,撰寫實驗報告,并做實驗成果匯報，注重培養學生的分析能力和表達能力。對有創新性的實驗成果,教師鼓勵和指導學生撰寫學術論文,在學術刊物上發表或在學術會議上交流。

2.2 實驗平臺使用方法

(1) 明渠流實驗方法。實驗前,通過轉動旋轉測定系統選擇某一條明渠流實驗水槽,將固定水槽系統與該明渠流實驗水槽及其下部對應的回水槽通過橡膠圈、卡扣銜接密封,并在明渠流實驗水槽中布置實驗項目所需的水工建筑物。實驗開始時,開啟抽水泵將儲水箱中的水通過裝有消能罩的壓力管提到穩水箱中,一部分水通過梯形出水口流向固定水槽系統,在固定水槽中水流逐漸趨于穩定,接著流過明渠流實驗水槽及所設置的水工建筑物,在旋轉測定系統右端擋水板處進入出水孔,然后通過出水孔依次經過回水槽、固定回水槽和三角量水堰后流回儲水箱；另一部分水躍過擋板流向溢流箱,并通過溢水回流孔流回儲水箱。實驗時調節支架上的升降閥實現槽底底坡的調節與控制,通過轉動支桿上的螺母牽動螺紋桿上下調節擋板控制流量,明渠實驗水槽及水工建筑物附近水流的水力參數通過現代流體測量技術和手段進行測量[13]。

(2) 有壓流實驗方法。當進行有壓流實驗時,在固定水槽系統中的水槽頂部用頂板密封,頂板與水槽擋板通過橡皮圈銜接封閉,從而使得穩水箱的梯形出水口、固定水槽、頂板和水槽擋板之間形成一個相對封閉的空間。實驗前,通過轉動旋轉測定系統選擇實驗需要的有壓流實驗槽,將固定水槽系統與該有壓流實驗槽及其下部對應的回水槽通過橡膠圈、卡扣銜接密封,連接實驗所需的測壓管。實驗開始時,開啟抽水泵將儲水箱中的水通過裝有消能罩的壓力管提到穩水箱中,一部分水通過梯形出水口流向固定水槽系統,在固定水槽中水流形成有壓流,接著流過有壓流實驗槽中安裝的等直徑圓形管或變直徑圓形管,在旋轉測定系統右端擋水板處進入出水孔,然后通過出水孔依次經過回水槽、固定回水槽和三角量水堰后流回儲水箱；另一部分水躍過擋板流向溢流箱,并通過溢水回流孔流回儲水箱。通過轉動支桿上的螺母牽動螺紋桿上下調節擋板控制流量,有壓流實驗槽中的有壓管水力參數通過流體內部流動測量技術進行測量[14]。

實驗結束后,關閉抽水泵,整理好測量儀器。實驗裝置長久不用或者需要進行維護時,可將儲水箱下部的排水口打開,排出水箱中多余的水。

3 結束語

本文自主研制的無壓流-有壓流綜合實驗平臺由水箱、固定水槽系統和旋轉測定系統組成,通過旋轉和對接方式將旋轉測定系統中不同的水槽及相應的回水槽與同一個固定水槽系統貫通,在一個水箱、一個水泵提供水源的前提下組成一個可循環系統,能夠進行一系列明渠水流實驗和有壓流實驗。克服了傳統實驗裝置功能單一、占地面積大、建設成本高等缺點,為水力學傳統基礎實驗教學向綜合設計性實驗教學轉變提供了新思路。該實驗平臺可供學生自行設計實驗內容、確定實驗目標和調整測試項目,能夠滿足學生開展水力學或流體力學的綜合性、設計性和創新性等實驗需要,能夠有效緩解實驗室用房短缺的矛盾,具有節約實驗成本和實驗用水、系統靈活、改造方便等優點,有重要的實用價值及推廣應用前景。

References)

[1] 艾翠玲.水力學實驗教程[M].北京：化學工業出版社,2011.

[2] 劉貽新,吳福根,陳浪城.高校實驗用房改革的經驗、困境和對策[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):389-393.

[3] 賀五洲,陳嘉范,李春華.水力學實驗[M].北京：清華大學出版社,2004.

[4] 李平,蔡超,許偉軍.綜合流體實驗裝置研究與實踐[J].實驗技術與管理,2012,29(5):89-93.

[5] 中華人民共和國教育部.關于做好“本科教學工程”國家級大學生創新創業訓練計劃實施工作”的通知[EB/OL].(2012-03-09)[2015-04-15].http://www.moe.gov.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s5649/201404/xxgk_166881.html.

[6] 陳艷霞,高建勇,錢波.水力學實驗[M].北京：中國水利水電出版社,2012.

[7] 張秀瑾,張秋香.多功能流體流動實驗裝置[J].實驗技術與管理,2011,28(3):73-77.

[8] 肖洋,黃振萍,唐立模,等.恒定流中泥沙運動速度實驗[J].南水北調與水利科技,2012,10(2):113-115.

[9] 戎貴文,魏文禮,劉玉玲,等.涌潮作用下丁壩附近水流運動特性的數值模擬研究[J].水利學報,2012,43(3):296-301.

[10] Li Yiping,Wang Ying,Animb Desmond Ofosu,et al.Flow Characteristics in Different Densities of Submerged Flexible Vegetation From an Open-channel Flume Study of Artificial Plants [J].Geomorphology,2014,204:314-324.

[11] 王連接,王虹,邵學軍,等.連續彎道水流紊動特性試驗裝置設計[J].實驗技術與管理,2010,27(10):87-90.

[12] 李春華,江春波,李玉柱.流體力學多功能實驗儀的研制[J].實驗技術與管理,2007,24 (8):45-48.

[13] 吳新生.河工模型量測與控制技術[M].北京：中國水利水電出版社,2010.

[14] 楊敏官.流體機械內部流動測量技術[M].北京：機械工業出版社,2011.

Design and application of experimental platform for free-surface flow and pressure flow

Yuan Yue, Rong Guiwen, Xiao Baiqing, Shen Qiting

(College of Earth and Environment,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)

On the basis of analyzing and researching the basic principle of fluid flow and conventional hydraulic experimental apparatus,a comprehensive and rotatable experimental platform is developed to investigate the free-surface flow and pressure flow in the laboratory.It can save the laboratory space,experimental cost and water, which is used to carry out different kinds of conventional hydraulic experiments and measure various hydraulic parameters of open channel flow and pressure flow.The application results show that the platform could meet the demands of synthetic and designing experiments of modern innovation and entrepreneurship training programs as well,providing convenience for the students in hydraulic experimental content,objective and test item.

experimental platform； hydraulic parameters； free-surface flow； pressure flow

2015- 04- 19 修改日期：2015- 05- 27

安徽省高等學校省級自然科學研究重點項目(KJ2013A094)；2013年安徽省高等教育振興計劃項目(2013zdjy086); 2013年大學生創新創業訓練計劃項目(201310361127)；國家自然科學基金資助項目(51579002，51309002)

袁岳(1991—)，男，安徽滁州，碩士研究生，研究方向為水力學

戎貴文(1976—)，男，山西原平，在讀博士研究生，副教授，研究方向為計算水力學、河工水力學、實驗水力學等.

TV131.63; G642.423

B

1002-4956(2015)9- 0084- 04