CN105021791A - 一种冰水动力学试验中可变糙率冰盖模拟方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冰水动力学实验中可变糙率冰盖模拟方法和装置，包括与模拟河道宽度相适应的模拟冰盖板，所述的模拟冰盖板的材质为聚乙烯板材，所述的模拟冰盖板上均匀的分布多个固定孔，所述的固定孔中根据试验需要固定模拟糙率的粗糙块，所述的粗糙块的材质为聚乙烯棒材。本发明通过理论计算采用聚乙烯这种十分普遍的材料作为模拟冰盖的材料，并使用板材模拟冰盖平面，并使用长条形的聚乙烯材料立在板材上，模拟冰盖的粗糙表面，形成不同糙率模拟冰盖。由于使用可以使用各种简单的方式更换长短不同，疏密不同的长条形材料，以此可以模拟各种不同糙率的冰盖，加快实验速度，并使实验的成本大大降低。

Description

一种冰水动力学试验中可变糙率冰盖模拟方法和装置

技术领域

本发明涉及一种冰水动力学试验中可变糙率冰盖模拟方法和装置，是一种水工实验方法和装置，是一种冰水动力学实验的方法和装置。

背景技术

入冬以后，气温降低，水体失热，水温降至0℃以下时，河道中便会产生冰花，随着水体不断地失热，水流表面进一步出现流冰。受水流条件、地形条件和风向等影响，水体表面的流冰会相互堆积形成冰，冰盖的存在会极大地增加了湿周和阻力，即使过水断面面积不变也会引起河道过水能力的显著降低。由于冰情的野外原型观测具有一定的危险性，因此通过实验室开展模拟研究成为冰水动力学研究的一个重要手段。实验模拟研究自然涉及到冰盖和冰盖糙率的模拟问题。糙率是衡量边壁形状的不规则、边界的粗糙度及整齐程度等因素的综合性系数，是冰水力学研究中的重要参数。目前实验室常用的冰盖模拟技术主要是在泡沫板上人工插竹签，人工增加泡沫板的粗糙程度，因为人工插竹签的深度和密度很难控制，因此该方法在冰盖糙率的控制上随意性较大，给规律性系列试验带来困难。且如果竹签的密度分布不均，导致实验断面的流速分布不均匀，影响实验精度，甚至准确性。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种用于冰水动力学试验中的可变糙率冰盖模拟方法和装置。所述的方法提供了一种冰盖及其糙率模拟方法，可根据不同的需要调整糙率程度，且可重复使用。

本发明的目的是这样实现的：一种冰水动力学试验中可变糙率冰盖模拟方法，所述方法使用聚乙烯板材作为模拟冰盖的材料，在所述的聚乙烯板材的一面设置多条长轴方向与板平面垂直的长条形的粗糙块，利用长度长短不同的粗糙块，及粗糙块疏密不同的排列方式模拟冰盖底部各种不同的糙率。

一种根据所述方法设计的可变糙率冰盖模拟装置，包括与模拟河道宽度相适应的模拟冰盖板，所述的模拟冰盖板的材质为聚乙烯板材，所述的模拟冰盖板上均匀的分布多个固定孔，所述的固定孔中根据试验需要固定模拟糙率的粗糙块，所述的粗糙块的材质为聚乙烯棒材。

进一步的，所述的模拟冰盖板上的固定孔为交错排列。

进一步的，所述模拟冰盖板上的固定孔是圆形通孔，所述是的粗糙块为直径与固定孔相适应的圆形棒材，所述圆形棒材的一端固定有一直径大于棒料直径的圆片，所述的圆片通过固定设施与模拟冰盖板可拆卸连接。

进一步的，所述的固定设施是与模拟冰盖板螺纹连接的压板，所述的圆片夹在模拟冰盖板和压板之间。

本发明产生的有益效果是：本发明通过理论计算采用聚乙烯这种十分普遍的材料作为模拟冰盖的材料，并使用板材模拟冰盖平面，并使用长条形的聚乙烯材料立在板材上，模拟冰盖的粗糙表面，形成不同糙率模拟冰盖。由于使用可以使用各种简单的方式更换长短不同，疏密不同的长条形材料，以此可以模拟各种不同糙率的冰盖，使实验的成本大大降低，同时使用简单的更换方式，还可以明显的减少实验的辅助时间，即满足了实验的各种要求也保证了实验的精度，加快试验速度，并使成本则明显下降。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例二所述装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例三所述交错排列的固定孔示意图；

图3是本发明的实施例四所述粗糙块的形状示意图；

图4是本发明的实施例五所述装置结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种冰水动力学试验中可变糙率冰盖模拟方法，所述方法使用聚乙烯板材作为模拟冰盖的材料，在所述的聚乙烯板材的一面设置多条长轴方向与板平面垂直的长条形的粗糙块，利用长度长短不同的粗糙块，及粗糙块疏密不同的排列方式模拟冰盖底部各种不同的糙率。

本实施例所述方法的依据为：

1、冰盖模拟材料的选择依据：

实验室的冰水动力学实验需要满足原型和模型的浮冰运动特性相似，即：

${\left(\frac{V}{\sqrt{2g\frac{{\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_w}t}}\right)}_p={\left(\frac{V}{\sqrt{2g\frac{{\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_w}t}}\right)}_m$

$\frac{{\left(V\right)}_p}{{\left(V\right)}_m}=\frac{\sqrt{{\left({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i\right)}_p{t}_p}}{\sqrt{{\left({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i\right)}_m{t}_m}},{\left(V\right)}_r=\sqrt{\frac{{\left({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i\right)}_p}{{\left({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i\right)}_m}{t}_r}$

即：

${\left(L_r\right)}^{1/2}=\sqrt{\frac{{\left({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i\right)}_p}{{({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i)}_m}}\sqrt{\left(L_r\right)},{({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i)}_p={({\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i)}_m$

(ρ_i)_p＝(ρ_i)_m

式中：下标p表示原型，下标m表示模型，下标r表示比尺；V为流速；g为重力加速度；ρ_w为水的密度；ρ_i为冰的密度；t为冰块厚度。

上式表明浮冰运动特性相似要求原型和模型中冰的密度相等。由于冰的密度约为917kg/m³，因此本实施例采用密度为920kg/m³的聚乙烯作为冰盖模拟的材料，在密度上满足冰水动力学实验所需的相似性要求。

2、冰盖糙率n的模拟：

河流中的水流流动都满足能量方程

$Z_1+\frac{P_1}{\mathrm{\γ}}+\frac{V_1^2}{2g}=Z_2+\frac{P_2}{\mathrm{\γ}}+\frac{V_2^2}{2g}+h_w$

式中Z₁和Z₂分别为上下游断面的高程，P₁和P₂分别为上下游断面的压力，V₁、V₂分别为上下游断面的平均流速，h_w为水头损失。

由上式可见，河流中的水位、流量等参数的计算都需要先确定水头损失h_w这一参数，而水头损失h_w通过糙率n来表达。

在水力粗糙区，谢才系数C仅与反映相对粗糙度的R/Δ相关。且在粗糙区， $C=18\lg \left(\frac{12.2R}{\mathrm{\Δ}}\right),$ 又 $C=\frac{1}{n}{R}^{1/6},$ 则糙率系数n可表达为

$n=\frac{R^{1/6}}{18\lg \left(\frac{12.2R}{\mathrm{\Δ}}\right)}=\frac{R^{1/6}}{19.55+18\lg \left(\frac{R}{\mathrm{\Δ}}\right)}$

式中R为水力半径，△为绝对粗糙高度。

由上式可见，当河道断面的水力半径不变时，冰盖的糙率和绝对粗糙高度△有直接关系，因此在冰水动力学试验中，提供不同粗糙高度的冰盖成为冰盖糙率模拟的主要途径。

基于上述的理论分析，本实施例使用聚乙烯板材作为模拟冰盖的材料，在板材的一面设置多条长条形的粗糙块，粗糙块的材质同为聚乙烯。粗糙块的长方向轴线与模拟冰压板材平面垂直，以此模拟冰盖底部的糙率。这些粗糙块最好可以十分方便的拆卸或安装在模拟冰盖板上。通过不同长度的粗糙块和不同的排列，以及排列的疏密，形成模拟各种不同糙率的模拟装置。

实施例二：

本实施例是一种根据实施例一所述方法设计的可变糙率冰盖模拟装置，如图1所示。本实施例包括与模拟河道1宽度相适应的模拟冰盖板2，所述的模拟冰盖板的材质为聚乙烯板材，所述的模拟冰盖板上均匀的分布多个固定孔201，所述的固定孔中根据试验需要固定模拟糙率的粗糙块3，所述的粗糙块的材质为聚乙烯棒材。

本实施例以聚乙烯板材作为模拟冰块的材料，模拟板块状的冰块漂浮或覆盖在水面上。根据实施例一的计算，聚乙烯材料的密度与冰相接近，因此，聚乙烯板材完全可以模拟板块状的冰块在水上的漂浮状态，包括随水流漂浮游动的速度和随波浪上下运动的幅度等。

本实施例所述的装置主要是应用于在模拟河道的水槽中进行冰盖实验。模拟冰盖板的大小根据需要确定，其宽度可以与模拟河流的水槽的宽度大小一致，或者说是相适应，其长度则根据时间需要确定，如：根据实验的需要在10米长1.2米宽的水槽中截取5米长1.2米宽的模拟冰盖板，作为作用试验板材的长度和宽度。所述的相适应是指模拟冰盖板与水槽的宽度尺寸大小一致，但模拟冰盖板的宽度比水槽的宽度略小一些，以便模拟冰盖板放入水槽中，并与水槽两侧帮板保持一定间隙，使模拟冰盖板可以漂浮在水面上，并可以随水面的起伏而起伏，不会用因为尺寸过于接近水槽而被卡住。在这种情况下，模拟冰盖板，在水流方向上应该有约束，较为方便的方法是在模拟冰盖板的下游设置一个阻挡冰盖板向下游流动的固定点，即可以达到目的。而一些实验中需要模拟冻结在河道上的冰盖，则需要将模拟冰盖板固定在模拟河道上，其高度与水位相同。固定的方式可以灵活应用各种固定方法。

根据实施例一的出计算，为模拟冰底部的糙率，本实施例采取了长条形的粗糙块，粗糙块的材质也应当是聚乙烯。粗糙块可以是截面形状为圆形的棒材，也可以是截面形状为四方形或其他正多边形的其他形状棒材。

在模拟冰盖板上打固定孔的目的是确定粗糙块的在模拟冰盖板的上的位置，固定孔可以是通孔也可以是盲孔。固定孔的在模拟冰盖板上的排列可以是纵横对齐的矩阵型排列，或者是纵对齐横交错或横对齐纵交错的交错型排列，也可以是中心向外的放射形排列等其他形排列。

使用不同的粗糙块高度和布置密度可模拟不同的绝对粗糙高度。粗糙块的长度(高度)根据实验糙率的需要截取，使用不同的粗糙块长度(高度)和布置密度可模拟不同的绝对粗糙高度。需要模拟的糙率越大，则截取的长条状材料的长度越长，反之则越短。将多根截取的棒材固定在模拟冰盖板的一面，并将带有固定棒材的一面向下，没有固定棒材的一面向上，使棒材***水中，形成模拟冰块的形态。固定多少根粗糙块，以及粗糙块的疏密程度也与糙率有关。粗糙块越多，越密集，则糙率越大，反之越小。本实施例采取了在模拟冰盖板上均匀的开许多固定孔的方式，在各个固定孔中用可拆卸的方式固定粗糙块。准备长短不同的多个粗糙块，根据事先计算好的糙率所需要的粗糙块的长度，数量、疏密程度，在模拟冰盖板的各个固定孔中有选择的固定粗糙块，即：或者在所有孔中固定粗糙块(糙率最大)，或者间隔一个孔固定粗糙块(糙率次之)，或者间隔两个孔固定一个粗糙块等。

因此，粗糙块与模拟冰盖板之间的连接应当是十分方便的可拆卸连接。粗糙块与模拟冰盖板之间的连接可以有多种方式。如：采用螺纹连接，螺丝连接等。还可以使用一种十分有创意的连接方式：将固定孔为打为通孔，将各个粗糙块设计为T字形，即如同螺栓那样在圆柱形的一头设置一个大头端，当圆柱形的主体穿过固定孔时，大头端限制了圆柱形的主体穿过固定孔。同时，将大头端设计为圆片形，使用一块压板与模拟冰盖板配合，将圆片形的大头端夹住，使整个粗糙块既不能从固定孔中脱出，也不能晃动，起到固定的作用。而压板可以设计为与模拟冰盖板大小相适应，使一块压板可以压住所有固定孔中***的粗糙块。当然，压板的材质也应当是聚乙烯板材。

这样固定粗糙块的巧妙之处在于：压板与模拟冰盖板之间只需要有限的几个螺丝即可固定，不论有多少个粗糙块，只要简单的***固定孔中，拧上有限的几个螺丝就固定了所有的粗糙块。这比起一个个的用螺丝固定一个个的粗糙块要方便得多。这一点在实验中十分重要，因为在实验中要不断的模拟各种糙率，经常不断的排列组合各种长短不一的粗糙块。使用上述的方式可以节省大量的实验辅助时间，提高了实验效率。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于模拟冰盖板的细化。本实施例所述的模拟冰盖板上的固定孔为交错排列，如图2所示。

模拟冰盖板用于固定粗糙块的固定块，本实施例在采取了一种相邻的孔交错布置方式，相对水流(图2中箭头A所指方向)迎水面的粗糙块密度相对加大，以此达到交错开孔的目的：即使用高度较小的粗糙块也可以得到较大的糙率(相对于纵横对齐排列)，在节省材料的同时也可以降低粗糙块对水流流动结构的影响。

实施例四：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于模拟冰盖板与模拟粗糙块结合方式的细化。本实施例所述的模拟冰盖板上的固定孔是圆形通孔，所述是的粗糙块为直径与固定孔相适应的圆柱形棒材，所述棒材的一端固定有一直径大于棒料直径的圆片，所述的圆片通过固定设施与模拟冰盖板可拆卸连接。

圆棒和圆孔是最容易加工的形状，本实施例所述的固定孔和粗糙块使用圆形，而圆棒型材和圆孔是最容易加工的，可以节约实验的费用，降低成本。

所述的粗糙块直径与固定块直径相适应的含义是：粗糙块的公称直径和固定孔的公称直径相等，但公差上有所区别，粗糙块直径的直径略微小一点，而固定孔的直径微大一点，使粗糙块可以十分顺畅的***固定孔中。

粗糙块的形状如图3所示，粗糙块的圆柱形杆302为主体，圆柱形的一端固定连接一圆片301，形成“大头”，整个粗糙块长轴方向的截面形状为T型。

将粗糙块固定在模拟冰盖板上的固定实施可以有很多种，如：固定实施是一个小螺丝，将粗糙块顶部的圆片与模拟冰盖板拧紧，即：每个粗糙块都用一个小螺丝固定在模拟冰盖板上。但这种固定方式有一个问题，螺丝太多，有可能影响整个装置的比重，影响实验的精度。也可以使用如实施例一所述的压板的方式。

实施例五：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于固定设施的细化。本实施例所述的固定设施是与模拟冰盖板螺纹连接的压板4，所述的圆片夹在模拟冰盖板和压板之间。

模拟冰盖板的四周设置螺丝5，用于将压板固定在模拟冰盖板上。使用时将T型的粗糙块放置在模拟冰盖的孔里即可。压板的作用是与模拟冰盖板一起夹住粗糙块，使之固定，使其在试验过程中不会随水流的运动发生位移。如果粗糙块随水流的运动而发生摇动，就会造成冰盖糙率发生变化，因此，固定粗糙块，避免晃动十分重要。使用时通过四角的固定螺栓将模拟冰盖、粗糙块和压板固定在一起，放入水槽中即可进行实验，如图4所示。

所述的压板的材质也应当是聚乙烯板材，以符合比重的要求。这种固定方式的一个很大的好处在于，使用有限的几个螺丝，影响正常装置的比重微乎其微，也就是说对整个实验的精度影响很小。

压板可以使用聚乙烯的网状板，只要能够压住粗糙块的顶端原片即可。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如水槽和模拟装置的形状、各个连接关系和方式等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种冰水动力学实验中可变糙率冰盖模拟方法，其特征在于，所述方法使用聚乙烯板材作为模拟冰盖的材料，在所述的聚乙烯板材的一面设置多条长轴方向与板平面垂直的长条形的粗糙块，利用长度长短不同的粗糙块，及粗糙块疏密不同的排列方式模拟冰盖底部各种不同的糙率。

2.一种根据权利要求1所述方法设计的可变糙率冰盖模拟装置，其特征在于，包括与模拟河道宽度相适应的模拟冰盖板，所述的模拟冰盖板的材质为聚乙烯板材，所述的模拟冰盖板上均匀的分布多个固定孔，所述的固定孔中根据试验需要固定模拟糙率的粗糙块，所述的粗糙块的材质为聚乙烯棒材。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的模拟冰盖板上的固定孔为交错排列。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述模拟冰盖板上的固定孔是圆形通孔，所述是的粗糙块为直径与固定孔相适应的圆形棒材，所述圆形棒材的一端固定有一直径大于棒料直径的圆片，所述的圆片通过固定设施与模拟冰盖板可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述的固定设施是与模拟冰盖板螺纹连接的压板，所述的圆片夹在模拟冰盖板和压板之间。