环形水槽系统结构设计及最佳转速比研究

陈俊 王天奕 徐奕蒙 林柏涵 陈冰冰 郭泽斌 丘瑾炜

(珠江水利科学研究院 广东广州 510611)

环形水槽作为研究细颗粒泥沙运动特性与污染物传播规律的较理想设备，现已越来越多地被使用在海岸河口泥沙的水力特性试验中，特别是在泥沙侵蚀、沉积、输运等方面[1]。淤泥质泥沙颗粒沉降速度很小，完成全部沉降过程需要很长的水槽[2]。环形水槽系统是在剪力环和环形槽的剪切力和惯性力下形成水流，它相当于过水断面水流状态相同的无限长水槽，并有结构简单、操作方便等特点，不需要设回水系统和消能设施，故不会产生直槽研究细颗粒泥沙絮凝问题时水泵搅动破坏絮团等问题，也能避免泥沙损失及水库清淤工作，满足细颗粒泥沙絮凝沉降所需的距离要求，可在实验室内进行水流泥沙沉降试验[3]。

笔者所在研究院为长江水利科学研究院研制了一套双向旋转环形水槽，用于促进水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室基础研究专用设施的建设与完善。该文介绍该环形水槽的结构设计思路和最佳转速比试验，并列出部分试验数据。

1 系统结构设计

环形水槽系统分为上层旋转装置、中部环形水槽、底部支撑及测控系统四部分[4]。通过搭载断面三维流速测量设备、地形测量设备、无线全自动水样采集装置、高精度连续探头泥沙测量设备和环形水槽测控软件组成一整套环形水槽系统，如图1所示。

图1 环形水槽系统整体结构图

设计特点具体如下。

（1）水槽内置水循环系统、剪力环等机构，可实现单向/双向流循环流动、可变流速流动、非规律性扰动性流动等，最大条件模拟真实环境。（2）水槽配备伺服电机驱动及旋转支撑轴承，具备扭矩大、响应速度快、转速转换平稳、垂向承载力大及水平抗扭力高等特点，有效消除水槽转动时抖动及不平衡等问题。（3）水槽配备高速无线通信系统，实现控制及传感器数据高速传输，有效避免绕线等问题。（4）配备三维流速测量设备、地形测量设备、无线全自动水样采集装置、实时泥沙浓度测量设备，可对流速、盐度、浊度等参数进行实时采集。

环形水槽主体结构分为上层旋转装置、中部环形水槽和底部支撑3部分，具体见图2。

图2 环形水槽主体结构图

1.1 上层旋转装置

上层旋转装置主要部件为剪力环、剪力环连接框架、回转支承轴承、回转支承轴承安装板、减速机、伺服电机及升降平台，如图3 所示。剪力环由10 mm 厚透明无色有机玻璃一体加工成型，保证了平整性和光滑度。剪力环环宽（触水部分）190 mm、外径2 390 mm、内径2 010 mm。剪力环转速0.1～20 r/min。此外，步进转速为0.1 r/min，最大线性速度为1.6 m/s。

图3 上层旋转装置设计图

1.2 中部环形水槽

中部环形水槽由2个半圆形水槽拼接而成，如图4所示。水槽侧壁和水槽底部分别采用材质为10 mm和12 mm厚透明无色有机玻璃，水槽顶部及侧面均布有肋条，既保证了水槽的结构强度，又有效地减少水槽的重量。水槽主体外径2 500 mm、深550 mm、宽200 mm，槽内最大流速0.8 m/s，水槽转速范围0.1～20 r/min。此外，步进转速为0.1 r/min，最大线性速度为1.6m/s。中部环形水槽通过不锈钢螺栓与水槽底部支撑架连接。

图4 中部环形水槽设计图

1.3 底部支撑

底部支撑由水槽底部支撑架、回转支承轴承、底部框架和调平装置组成，如图5 所示。水槽底部支撑架采用304 不锈钢材质，外径2 500 mm，预留窗口，窗口长度400 mm，宽度200 mm，方便观察实验过程。水槽底部支撑架通过不锈钢螺栓与回转支承轴连接。回转支承轴通过不锈钢螺栓与底部框架连接。

图5 底部支撑设计图

1.4 测控系统

环形水槽测控系统主要用于水工模型、河工模型等试验中对所有相关的设备起控制作用[5]。该系统通过中控机精密的软件算法，实时调节伺服电机，实现控制剪力环的升降速度、剪力环的旋转速度以及环形水槽的旋转速度，该系统同时还兼容水样采集控制功能[6]，此外，采集单元如三维流速采集仪ADV、浊度传感器AOBS、地形仪采集地形等实时数据通过局域网传输到中控机，并在测控软件上实时显示。测控系统结构图见图6。

图6 测控系统结构图

测控软件可实现水槽控制完全实现自动化，实现水槽运动智能调控，包括开环控制、闭环控制等控制命令，主要功能包括手动控制（微调）、反馈控制（恒定旋转）和过程控制（非恒定旋转）；同时，可实现数据的显示、存储与导出、图形化分析统计[7]。可以将数据导出成纯文本格式或Excel格式；以曲线方式实时显示各传感器测量的过程曲线；能方便扩展测控变量的种类，如除了流速、地形、含沙量等变量外，增加温度场等变量的测控。

2 环形水槽最佳转速比测试

2.1 基本原理

环形水槽内存在显著的二次流，二次流是指流速方向与环形水槽切线方向不一致的水流，而进行泥沙水力特性试验所要求的是均匀紊动水流[8]。环形水槽产生这种水流条件的基本原理具体叙述如下。

（1）当只有环形槽转动时，水槽内水体受离心力的作用，产生向外的横向次流[8]。这种运动状态下泥沙靠水槽外侧运动，见图7-A。（2）当只有剪力环运转时，受剪力环剪切力的作用，产生向内的横向次流[9]。这种运动状态下泥沙靠水槽内侧运动，见图7-B。（3）当剪力环和环形槽以一定比例同时方向相反转动时，水槽内的横向次流大部分互相抵消，形成较均匀的紊动水流[9]。在这种水流作用下泥沙便会出现图7-C 所示的路线运动。因此，环形水槽使用前，必须利用塑料沙等示踪物进行率定，确定出环形槽运转速度V1与剪力环相对应的运转速度V2的关系。同时，测定出各个运动速度相应的水槽底部平均流速。

图7 环形水槽内形成均匀紊流原理

2.2 试验设计

试验分两种工况，分别是25 cm水深时最佳转速比测试和30 cm水深时最佳转速比测试，试验使用的沙样粒径为0.1～0.3 mm。根据实际情况调整最佳转速比（可根据水槽内部模型沙的运动方向以及ADV测到的水槽横向流速是否趋近于0做判断），以达到消除水槽横向流速的目的。调整到最佳转速比，待水槽至少稳定运行5 min，保证槽内流速稳定之后再开始记录数据。

为了测量环形水槽内的环向流速以及水槽内的横向流速，在环形水槽内布置了2 台ADV 仪器，见图8。2 台ADV 分布在环形水槽相差90°的位置且处于水槽切面的中心位置（距离水槽两个槽壁各8.9 cm），用于测量环形水槽的两个不同层面的流速，ADV1 放置在水深10 cm处，用于测量10 cm水深的流速值，ADV2放置在水深15 cm 处，用于测量15 cm 水深的流速值。ADV的Y方向流速（AV-y）代表水槽环向流速，ADV的X 方向流速（AV-x）代表水槽横向流速。该文所说到的X方向以及Y方向都是基于此。

图8 ADV布放图

2.3 试验结果

环形水槽在水深25cm时的环形槽运转速度V1与剪力环相对应的运转速度V2的关系见表1和图9。在水槽转速2.5 r/min，剪力环转速7.2 r/min 的试验时，水槽中的流速已经到达模型沙的启动速度，水槽内的模型沙都漂浮起来在水槽中运动，使得水槽中水比较浑，无法在水槽底部进行观测，只能依靠ADV的横向流速进行判断。

图9 环形水槽最佳转速V1-V2关系图（25 cm水深）

表1 环形水槽最佳转速比测试结果（25 cm水深）

环形水槽在水深30 cm 时的环形槽运转速度V1与剪力环相对应的运转速度V2的关系见表2和图10。

图10 环形水槽最佳转速V1-V2关系图（30 cm水深）

表2 环形水槽最佳转速比测试结果（30 cm水深）

在水槽转速2.5 r/min，剪力环转速8.7 r/min的试验时，水槽中的流速已经到达模型沙的启动速度，水槽内的模型沙都漂浮起来在水槽中运动，使得水槽中水比较浑，无法在水槽底部进行观测，只能依靠ADV 的横向流速进行判断。

综上，水槽与剪力环的最佳转速比在水深为25 cm时约为1∶3；水深为30 cm 时约为1∶3.5。所以环形水槽的最佳转速比不是一个固定值，需要根据实验工况对每个转速下进行微调；且在不同的水深情况下，转速比也不同，需要调整。

3 结语

环形水槽系统经过长江水利科学研究院测试、应用，于2022 年4月竣工验收，获得甲方良好的评价。应用工业控制计算机技术、伺服驱动控制、无线桥接技术以及转速闭环控制等技术，使环形水槽控制系统在水流及泥沙特性研究的试验中运行操作更加方便、安全可靠。它是水利研究人员用以研究泥沙运动特性的先进辅助设备，有着非常好的推广前景。

该文利用环形水槽对最佳转速比问题开展研究，研究成果可作为今后进一步开展利用环形水槽开展实验对泥沙特性进行研究的前提基础，为设计合理的实验，开展有关泥沙起动及沉降研究工作提供了参考，而实体环形水槽实验也将会进一步验证数学模型的结果是否合理，目前这部分工作有待进一步研究。