一种进/出水口拦污栅模拟试验装置
1.本发明属于水利工程模型试验技术领域，特别是涉及一种基于3d打印技术的进/出水口拦污栅模拟试验装置。
背景技术：
2.进/出水口是抽水蓄能电站输水系统的重要组成部分，具有双向过流的特点。进流时，水流自库区进入进/出水口，流速分布较为均匀，拦污栅工作状态较为稳定；出流时，水流自输水隧洞经扩散段、调整段、拦污栅、防涡梁段流出进/出水口，由于扩散距离有限，易使得拦污栅断面流速分布不均匀。为保证拦污栅安全，抽水蓄能电站设计规范《nb t 10072-2018》指出，拦污栅断面平均流速控制在1.0m/s以下，流速不均匀系数(最大流速/平均流速)宜小于1.5。
3.目前对于进/出水口水力特性的研究，尤其是物理模型试验，由于拦污栅栅条细、间隔近，模型模拟具有一定的困难。因此在进行进/出水口物理模型试验时，一般不模拟拦污栅结构本身。很显然，拦污栅栅条确实减少了过流面积、阻挡了水流，从严格意义上讲，进/出水口拦污栅结构本身对流速分布产生什么样的影响尚不明晰。因此探究拦污栅结构对流速分布的影响具有重要意义。
4.到目前为止，在进行物理模型试验时，常规模型多采用有机玻璃制作，具有制作周期长，建模精度低的缺陷。对于较为复杂的结构，例如拦污栅结构，栅条细，间隔近，栅条的单宽小于1mm，没有相对理想的模拟手段，能够严格模拟拦污栅结构。且尚未出现合适的拦污栅模拟试验方法，开展模拟拦污栅整体结构的进/出水口水力特性研究。
5.得益于现代科学技术的发展，高新技术不断涌现，3d打印技术已经趋于成熟，在多个领域得到了应用。在水利工程物理模型试验领域，尚不多见结合3d打印技术的模型试验研究。
6.因此，基于当前的实际述求，结合现有高新技术，通过3d打印技术模拟进/出水口拦污栅，开展拦污栅对进/出水口水力特性研究是有益的。
技术实现要素：
7.本发明提出一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，适用于进/出水口拦污栅模型试验。
8.本发明利用以下技术方案实现：
9.一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，该装置包括试验模型、稳流装置、流量控制系统和量测系统，其中：
10.所述试验装置至少包括试验库区模型、通过侧式进/出水口模型和拦污栅模型，通过流量控制系统保证来流稳定；
11.所述流量控制系统四个流量控制系统包括即第一流量控制系统、第二流量控制系统23、第三流量控制系统和第四流量控制系统，各个流量控制系统由电磁流量计、自控阀门
构成，与供水管路和回水管路串联；通过所述流量控制系统开启供水管路和回水管路的自控阀门，控制供水管路和回水管路流量，待水位恒定以及流量恒定后进行模拟试验；
12.所述第一流量控制系统设置于进流供水管路与水塔之间、所述第二流量控制系统设置于出流供水管路与水塔之间、所述第三流量控制系统设置于出流供水管路与地下集水池之间，所述第四流量控制系统设置于地下集水池和回水管路之间；
13.所述稳流装置由稳水箱和稳水栅构成，稳水箱内设有溢流箱，用来保证进流、出流平稳和水位恒定；
14.所述量测装置由三维测架、测针和声学多普勒点式流速仪组成，用来实时量测试验模型中的拦污栅前后断面水流流速。
15.与传统试验模型相比，本发明能够达成以下有益技术效果：
16.1)能够提供试验所需要的水流条件，模拟不同淹没水深；
17.2)能够精准自动控制不同设计流量，实现抽水蓄能电站进/出水口水力特性试验研究；
18.3)克服以往复杂模型(拦污栅模型)制作周期长，制作精度低等缺陷，实现模拟拦污栅整体结构的进/出水口水力特性研究，测量结果用以分析拦污栅对进/出水口水力特性的影响，从而为后续进/出水口及拦污栅设计提供参考数据。
附图说明
19.图1为本发明的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置示意图；
20.图2为3d打印的可拆卸拦污栅模型结构示意图；
21.图3为本发明的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置的出流工况图；
22.图4为本发明的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置的进流工况图；
23.附图标记：
24.1、侧式进/出水口，2、拦污栅，3、三维侧架，4、测针，5、声学多普勒点式流速仪(adv)，6、第一量测断面，7、第二量测断面，8、稳水箱，9、溢流箱，10、稳水栅，11、进流供水管路，12、出流供水管路，13、回水管路，14、滑轮，15、摇杆，16、钢板，17、链条，18、试验库区，19、地下集水池，20、第一流量控制系统、201、第一电磁流量计，202、第一自控阀门，21、水塔，22、水泵，23、第二流量控制系统、231第二电磁流量计，232、第二自控阀门，24、第三流量控制系统、241第三电磁流量计，242、第三自控阀门，25、第四流量控制系统，251、第四电磁流量计，252、第四自控阀门，26、支承框架，27、横隔板，28、栅条。
具体实施方式
25.为进一步阐述本发明的技术方案与特征，下面采用了本发明技术方案以某抽水蓄能电站工程为例作详细说明，但本发明内容不限于具体实施例所述内容。
26.如图1所示，为本发明的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，具体实施方案描述如下：
27.该试验装置进一步包括试验模型、稳流装置、流量控制系统和量测系统。该试验装置由水泵22供水，所述流量控制系统控制保证来流稳定，所述稳流装置用来保证进流、出流平稳、水位恒定；所述量测装置用来实时量测试验模型中的拦污栅前后断面水流流速。
28.其中，所述试验模型是指依照重力相似准则，对原型进行几何缩尺得到试验模型，包括试验库区18模型、有机玻璃材质的侧式进/出水口1模型以及通过3d打印机打印制作的拦污栅2模型等。
29.如图2所示，为3d打印的可拆卸拦污栅模型结构示意图。该拦污栅通常垂直布置在侧式进/出水口，主要由支承框架26、横隔板27和金属的栅条28构成，横隔板27将平行放置的栅条28固定连接，在使用时，支承框架26将横隔板27以及栅条28支承在混凝土墙上，栅条间距取决于水轮机型号尺寸，以保证通过拦污栅的污染物不会对水轮机造成危害。双向过流条件下，不均匀的流速冲击拦污栅时，会在栅条上产生旋涡，旋涡脱落产生侧向推力和顺向曳引力，使拦污栅产生振动，导致疲劳破坏。
30.可拆卸式拦污栅是指采用光敏树脂材料通过3d打印机打印不同密度的拦污栅模型，这种方法能够克服建模精度低、制作周期长的缺陷，实现侧式进/出水口拦污栅结构的模拟。以某抽水蓄能电站工程为例，若严格按照几何缩尺，拦污栅的栅条宽度仅0.6mm，栅条间距14.77mm
×
5.54mm，栅条数20
×
32(横向
×
纵向)，拦污栅过流面积86.40％。鉴于拦污栅栅条细，间距小，模型模拟困难，试验对拦污栅结构进行了简化，对模型栅条宽度及间距进行了适当调整，模型栅条宽度1mm，栅条间距30mm
×
9mm，栅条数10
×
20(横向
×
纵向)，拦污栅过流面积86.88％，与实际工程过流面积基本一致。
31.所述稳流装置由稳水箱8、稳水栅10构成，稳水箱内设有溢流箱9。稳水栅10为厚10cm的多孔透水栅，以保证进出流平稳、水位恒定。
32.所述量测系统由三维测架3、测针4和声学多普勒点式流速仪5组成。三维测架3通过滑轮14连接在库区侧壁的轨道上，通过移动滑轮14，实现测点位置平面移动，声学多普勒点式流速仪5通过钢板16固定在三维测架3上，通过转动摇杆15，链条17带动钢板16即带动声学多普勒点式流速仪adv5实现上下移动。测量系统配套计算机控制系统，可以实时控制声学多普勒点式流速仪5，以调整量测位置。通过声学多普勒点式流速仪5实时量测拦污栅前/后的第一、第二量测断面6、7处的水流流速。测针4固定在试验库区18的边壁，以监测水位的变化。轨道上刻有刻度，从而能够精确轻松的控制测点三维移动，达到测量不同测点流速的目的。
33.该试验装置的四个流量控制系统包括即第一流量控制系统20、第二流量控制系统23、第三流量控制系统24和第四流量控制系统24，由计算机控制。各个流量控制系统由电磁流量计、自控阀门构成，与供水管路和回水管路串联。按照试验要求，通过流量控制系统，开启供水管路和回水管路的自控阀门，控制供水管路和回水管路流量，待水位恒定以及流量恒定后即可进行试验。其中，第一流量控制系统20设置于进流供水管路11与水塔21之间、第二流量控制系统23设置于出流供水管路12与水塔21之间、第三流量控制系统24设置于出流供水管路12与地下集水池19之间，第四流量控制系统24设置于地下集水池19和回水管路13之间。试验工况分为出流和进流两种工况，下面分别介绍两种工况下的水位流量调节工作过程：
34.(1)出流工况(水流自进/出水口流出，进入试验库区)，如图3所示，为本发明的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置的出流工况图。其中，开启出流供水方向连接侧式进/出水口11到输水隧洞的阀门，第一流量控制系统20的第一自控阀门201和第三流量控制系统24的第三自控阀门241关闭，第二流量控制系统23的第三自控阀门231和第四流量控制系统
25的第四自控阀门关闭251开启，来自水泵的供水进入水塔，出流通过与水塔连接的第二流量控制系统23的第二自动阀门232，进入出流供水管路12，接着进入试验库区18，进入回水管路13，通过第四流量控制系统25的第四自控阀门252，进入地下集水池；通过控制第一至第四电磁流量计控制供水流量达到预设值(多组设计流量)，所控制的供水流量包括
①
利用第二电磁流量计231控制从水塔出流的流量达到预设值，
②
利用第三电磁流量计241控制进入出流供水管路12的流量，
③
利用第四电磁流量计251控制进入回水管路13的流量；通过测针监测水位，并控制水位稳定；
35.(2)进流工况(水流自库区流入进/出水口)，如图4所示，为本发明的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置的出流工况图。其中，开启进流供水方向连接侧式进/出水口11和输水隧洞(也就是出流供水管路)的阀门，具体的，第二流量控制系统23的第二自控阀门231和第四流量控制系统25的第四自控阀门251关闭，第一流量控制系统20的第一自控阀门201和第三流量控制系统24的第四自控阀门关闭241开启；进流供水从水塔经过第一流量控制系统20的第一自控阀门201进入进流供水管路11，进入试验库区18，进流继续通过出流供水管路12，经过第三流量控制系统24的第三自控阀门241进入水泵22，回到水塔。开启进流回水管路阀门，通过控制第一至第四电磁流量计控制供水流量达到预设值(多组设计流量)，所控制的供水流量包括
①
利用第三电磁流量计241控制从来自于水泵的进流的流量达到预设值，
②
利用第一电磁流量计201控制进入进流供水管路11的流量，
③
利用第四电磁流量计251控制进入回水管路13的流量；通过水位测针监测水位，并控制其稳定。
技术特征：
1.一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，其特征在于，该装置包括试验模型、稳流装置、流量控制系统和量测系统，其中：所述试验模型至少包括试验库区模型、侧式进/出水口模型和拦污栅模型，通过流量控制系统保证来流稳定；所述流量控制系统四个流量控制系统包括即第一流量控制系统、第二流量控制系统、第三流量控制系统和第四流量控制系统，各个流量控制系统由电磁流量计、自控阀门构成，与供水管路和回水管路串联；通过所述流量控制系统开启供水管路和回水管路的自控阀门，控制供水管路和回水管路流量，待水位恒定以及流量恒定后进行模拟试验；所述第一流量控制系统设置于进流供水管路与水塔之间、所述第二流量控制系统设置于出流供水管路与水塔之间、所述第三流量控制系统设置于出流供水管路与地下集水池之间，所述第四流量控制系统设置于地下集水池和回水管路之间；所述稳流装置由稳水箱和稳水栅构成，稳水箱内设有溢流箱，用来保证进流、出流平稳和水位恒定；所述量测装置由三维测架、测针和声学多普勒点式流速仪组成，用来实时量测试验模型中的拦污栅前后断面水流流速。2.如权利要求1所述的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，其特征在于，该装置的出流工况为：开启出流供水方向连接进/出水口到输水隧洞的阀门，第一流量控制系统的第一自控阀门和第三流量控制系统的第三自控阀门关闭，第二流量控制系统的第三自控阀门和第四流量控制系统的第四自控阀门关闭开启，来自水泵的供水进入水塔，出流通过与水塔连接的第二流量控制系统的第二自动阀门，进入出流供水管路，接着进入试验库区，进入回水管路，通过第四流量控制系统的第四自控阀门，进入地下集水池；通过控制第一至第四电磁流量计控制供水流量达到多组预设值，包括所控制的供水流量包括利用第二电磁流量计控制从水塔出流的流量达到预设值，利用第三电磁流量计控制进入出流供水管路的流量，利用第四电磁流量计控制进入回水管路的流量；通过测针监测水位，并控制水位稳定。3.如权利要求1所述的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，其特征在于，该装置的进流工况为：开启进流供水方向连接进/出水口和输水隧洞的阀门，具体的，第二流量控制系统的第二自控阀门和第四流量控制系统的第四自控阀门关闭，第一流量控制系统的第一自控阀门和第三流量控制系统的第四自控阀门关闭开启；进流供水从水塔经过第一流量控制系统的第一自控阀门进入进流供水管路，进入试验库区，进流继续通过出流供水管路，经过第三流量控制系统的第三自控阀门进入水泵，回到水塔；开启进流回水管路阀门，通过控制第一至第四电磁流量计控制供水流量达到多组，包括所控制的供水流量包括利用第三电磁流量计控制从来自于水泵的进流的流量达到预设值，利用第一电磁流量计控制进入进流供水管路的流量，利用第四电磁流量计控制进入回水管路的流量；通过水位测针监测水位，并控制其稳定。4.如权利要求1所述的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，其特征在于，所述稳水栅为多孔透水栅，保证进流和出流平稳、水位恒定。5.如权利要求1所述的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，其特征在于，在所述量测系统中，所述三维测架安装在试验库区模型上，通过滑轮连接在试验库区模型侧壁的轨道上，所述声学多普勒点式流速仪通过钢板固定在三维测架上，通过转动摇杆、链条带动钢板
带动声学多普勒点式流速仪实现上下移动，控制所述声学多普勒点式流速仪以调整量测位置，实时量测所述拦污栅前/后的第一、第二量测断面处的水流流速；所述测针固定在试验库区模型的边壁，以监测水位的变化。6.如权利要求1所述的一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，其特征在于，所述拦污栅模型由支承框架、横隔板和栅条构成，横隔板将平行放置的栅条固定连接，垂直布置在进/出水口处。
技术总结
本发明公开了一种进/出水口拦污栅模拟试验装置，包括试验模型、稳流装置、流量控制系统和量测系统，所述试验装置通过流量控制系统控制来流稳定；所述稳流装置保证进出流平稳、水位恒定；所述量测装置实时量测试验模型中的拦污栅前后断面水流流速；所述试验模型至少包括试验库区模型、通过有机玻璃制作的侧式进/出水口模型以及通过3D打印制作的拦污栅模型；所述稳流装置由稳水箱、稳水栅构成；所述量测系统由三维测架、测针、声学多普勒点式流速仪组成。与传统试验模型相比，本发明提供了试验所需要的水流条件，模拟不同淹没水深以及精准自动控制不同设计流量，提出结合3D打印技术制作拦污栅模型，实现抽水蓄能电站进/出水口水力特性试验研究。特性试验研究。特性试验研究。
