一种全透明疏浚耙头试验装置

1.本发明公开了一种全透明疏浚耙头试验装置，属于疏浚技术领域。


背景技术：

2.耙吸挖泥船高效灵活且抗风浪能力强，在疏浚行业得以迅速发展。耙头是耙吸挖泥船施工的关键设备，在施工过程中与泥沙最先接触，故耙头的性能至关重要，尤其是其周边及内部流场情况，直接决定了整船的生产率。然而，疏浚耙头组成部件较多，许多结构并不规则却对性能影响较大，导致耙头周边及内部流场极其复杂且多变；为辅助切削和防止淤堵，一般耙头会在不同位置安装多列喷嘴，喷嘴喷射的射流与耙头自身的抽吸相互耦合，更加剧了流场的复杂性；而工程耙头采用金属制成，工作水深往往较大，施工时周边水沙两相流场较为浑浊，不易观察与测量。上述种种因素严重制约了耙头的研究。目前对耙头的研究主要集中在局部部件内流场的数值模拟方面，但模拟的准确性尚处于定性分析阶段，缺乏准确有效的试验数据检验，而且由于疏浚耙头及其流场的复杂性，耙头综合性能的流场数值模拟非常困难，亟需相应的疏浚耙头试验装置提供平台支撑。


技术实现要素：

3.为了克服上述不足，本发明设计了一种全透明疏浚耙头试验装置，利用该装置，不仅可以观测耙头周边及其内部复杂的耦合流场，而且可以对耙头各关键条件和性能参数进行测量，从而为优化耙头结构及其施工工艺提供重要数据。
4.本发明的技术方案如下：一种全透明疏浚耙头试验装置，包括水泵、水槽、耙头结构和观测系统；所述水泵由变频电机控制，通过改变电机频率调节水泵流量，水泵进口和出口处均连接钢管，分别是进口管道和出口管道；所述出口管道中安装有电磁流量计，用以实时测量管道流量；所述水槽包括结构框架、透明挡板、非透明挡板和操作平台；用于观察的区域布置透明挡板，非观察区域采用非透明挡板，水槽的一侧布置有注水口和排水口，所述操作平台横跨在结构框架上方，能够根据试验需要移动位置，并通过螺栓与结构框架压紧固定；操作平台在水槽内部的一个侧边中间位置装有升降支架；所述耙头结构包括模型耙头、测压短管、测速窗、喷嘴组件、吊耳、支撑部件、出口和吸口；所述模型耙头采用有机玻璃制成，保证观察区域由平板组成且透明，模型耙头的出口经弯管转为方向向上，出口处按管径装有标准法兰；在需要测压的位置钻圆孔，圆孔外测通过焊接胶水粘接测压短管，测压短管内侧攻密封螺纹；在需要测速的位置开方形孔，方形孔尺寸比测速仪探头尺寸略大即可，方形孔周边开有螺纹盲孔，测速窗由左右两部分组成，合在一起为上部长方体下部圆柱体的凸台结构，中心钻孔，孔直径与测速仪探出杆直径匹配，测速窗周边钻有通孔，与方形孔周边螺
纹盲孔匹配，通过螺栓将测速窗固定在方形孔上，其厚度和底部斜度依据方形孔周边的模型耙头尺寸确定，确保安装后模型耙头内部表面形状不变；所述吊耳有个，布置在模型耙头前部上方两侧；所述支撑部件由抽吸管道和支撑杆焊接而成，抽吸管道下端装有标准法兰，与模型耙头的出口法兰相连；支撑杆与操作平台的升降机构配合，可带动模型耙头垂直移动，从而改变模型耙头吸口与底板的距离；所述支撑杆上方布置一个吊点，通过钢丝绳将吊点与个吊耳分别相连，提高模型耙头受力分布的均匀性，预防因偏心而引起有机玻璃应力过于集中；所述水泵的出口管道与水槽的注水口之间、水泵的进口管道与抽吸管道之间均采用钢丝软管相连；所述观测系统包括示踪导流器、测压传感器和测速仪；所述示踪导流器包括支架、储液器、阀门以及导流管，储液器下方经阀门与导流管相连，整体通过支架固定于水槽上；导流管下方设有若干分支管，确保能将示踪液导流至需要观察的区域；所述测压传感器通过测压短管与模型耙头相连；测速仪能够按照需要布置于模型耙头周边或内部，当需要在内部测速时，测试仪探头通过测速窗小孔伸入模型耙头内部。
5.优选地，上述喷嘴组件包括稳压管、喷嘴块和压环；稳压管是一端密封、一端具有标准法兰的圆管，根据所需喷嘴数量在稳压管圆周面上钻多个孔，各孔布置于同一列；稳压管穿过模型耙头的吸口后方的两个安装孔板，固定在模型耙头上，通过旋转稳压管能够改变喷嘴角度；根据所需喷嘴直径和数量在喷嘴块上钻孔，喷嘴块上的孔与稳压管圆周面上的孔中心对齐，通过压环将两者固定在一起；稳压管上法兰处装配有带法兰钢管，将软管与之相连可向喷嘴组件供水，从而在喷嘴处产生射流。
6.优选地，上述稳压管圆周面上的孔的孔径为所需喷嘴直径的倍，优选地，上述喷嘴块上的钻孔具有收缩段和直孔段，直孔段直径即为所需喷嘴直径，长度不小于喷嘴直径的倍，收缩段由稳压管上钻孔直径渐变为喷嘴直径，长度为喷嘴直径的倍。
7.优选地，上述在注水口的出口下方布置消能器，降低进入水槽水流的紊动性。
8.优选地，上述透明挡板与非透明挡板间通过橡胶压条和玻璃胶进行密封；优选地，上述测速仪上部处理器能够固定于操作平台上，也可另行搭建支架进行固定。
9.优选地，上述实验装置还包括粒子图像测速仪或者激光测速仪，用于进行无干扰测速。
10.优选地，上述水槽宽度大于等于模型耙头宽度的3倍，长度大于等于耙头长度的8倍。
11.本发明的有益效果是：本发明提供了一种全透明疏浚耙头试验装置，由于耙头和水槽观察区域全透明，再辅以示踪液，就可以观察到耙头周边及内部的流动情况，甚至借助高速摄像可记录、捕捉局部流动过程，从而帮助研究者对耙头耙吸机理和结构优劣提供定性认识。在此基础上，利用该装置还可以精准调节耙头抽吸流量、耙头吸口与床面间距离、射流参数等关键条件，并能精确测量耙头关键区域的压强、流速等性能参数，从而定量分析关键条件对性能参数的
影响规律，并为耙头的数值模拟分析提供数据支撑，从而达到优化耙头结构和提高耙吸效率的目的。
附图说明
12.图1是本发明的整体装置示意图；图2是本发明的水槽示意图图3是本发明的耙头结构示意图；图4是本发明的测速窗示意图；图5是本发明的喷嘴组件示意图；图6是本发明的支撑部件示意图图7是本发明的示踪导流器示意图。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
14.一种全透明疏浚耙头试验装置，包括水泵1、水槽2、耙头结构3和观测系统4；所述水泵1由变频电机控制，通过改变电机频率调节水泵流量，水泵进口和出口处均连接钢管，分别是进口管道1-1和出口管道1-2；所述出口管道1-2中安装有电磁流量计1-3，用以实时测量管道流量；所述水槽2包括结构框架2-1、透明挡板2-2、非透明挡板2-3和操作平台2-4；用于观察的区域布置透明挡板2-2，非观察区域采用非透明挡板2-3，水槽2的一侧布置有注水口2-5和排水口2-6，所述操作平台2-4横跨在结构框架2-1上方，能够根据试验需要移动位置，并通过螺栓与结构框架压紧固定；操作平台2-4在水槽2内部的一个侧边中间位置装有升降支架2-4-1；所述耙头结构3包括模型耙头3-1、测压短管3-2、测速窗3-3、喷嘴组件3-4、吊耳3-5、支撑部件3-6、出口3-7和吸口3-8；所述模型耙头3-1采用有机玻璃制成，保证观察区域由平板组成且透明，模型耙头3-1的出口经弯管转为方向向上，出口处按管径装有标准法兰；在需要测压的位置钻圆孔，圆孔外测通过焊接胶水粘接测压短管3-2，测压短管3-2内侧攻密封螺纹；在需要测速的位置开方形孔，方形孔尺寸比测速仪探头尺寸略大即可，方形孔周边开有螺纹盲孔，测速窗3-3由左右两部分组成，合在一起为上部长方体下部圆柱体的凸台结构，中心钻孔，孔直径与测速仪探出杆直径匹配，测速窗3-3周边钻有通孔，与方形孔周边螺纹盲孔匹配，通过螺栓将测速窗3-3固定在方形孔上，其厚度和底部斜度依据方形孔周边的模型耙头3-1尺寸确定，确保安装后模型耙头3-1内部表面形状不变；所述吊耳3-5有2个，布置在模型耙头3-1前部上方两侧；所述支撑部件3-6由抽吸管道3-6-1和支撑杆3-6-2焊接而成，抽吸管道3-6-1下端装有标准法兰，与模型耙头3-1的出口法兰相连；支撑杆3-6-2与操作平台的升降机构2-4-1配合，可带动模型耙头垂直移动，从而改变模型耙头吸口与底板的距离；所述支撑杆3-6-2上方布置一个吊点3-6-3，通过钢丝绳将吊点3-6-3与2个吊耳3-5分别相连，提高模型耙头
3-1受力分布的均匀性，预防因偏心而引起有机玻璃应力过于集中；所述水泵1的出口管道1-2与水槽2的注水口2-5之间、水泵的进口管道1-1与抽吸管道3-6-1之间均采用钢丝软管相连；所述观测系统4包括示踪导流器4-1、测压传感器4-2和测速仪4-3；所述示踪导流器4-1包括支架4-1-1、储液器4-1-2、阀门4-1-3以及导流管4-1-4，储液器4-1-2下方经阀门4-1-3与导流管4-1-4相连，整体通过支架4-1-1固定于水槽2上；导流管4-1-4下方设有若干分支管，确保能将示踪液导流至需要观察的区域；所述测压传感器4-2通过测压短管3-2与模型耙头3-1相连；测速仪4-3能够按照需要布置于模型耙头3-1周边或内部，当需要在内部测速时，测试仪4-3探头通过测速窗小孔伸入模型耙头3-1内部。
15.优选地，上述喷嘴组件3-4包括稳压管3-4-1、喷嘴块3-4-2和压环3-4-3；稳压管3-4-1是一端密封、一端具有标准法兰的圆管，根据所需喷嘴数量在稳压管3-4-1圆周面上钻多个孔，各孔布置于同一列；稳压管3-4-1穿过模型耙头的吸口3-8后方的两个安装孔板，固定在模型耙头3-1上，通过旋转稳压管3-4-1能够改变喷嘴角度；根据所需喷嘴直径和数量在喷嘴块上3-4-2钻孔，喷嘴块3-4-2上的孔与稳压管3-4-1圆周面上的孔中心对齐，通过压环3-4-3将两者固定在一起；稳压管3-4-1上法兰处装配有带法兰钢管3-4-4，将软管与之相连可向喷嘴组件供水，从而在喷嘴处产生射流。
16.优选地，上述稳压管3-4-1圆周面上的孔的孔径为所需喷嘴直径的3倍，优选地，上述喷嘴块上3-4-2的钻孔具有收缩段和直孔段，直孔段直径即为所需喷嘴直径，长度不小于喷嘴直径的5倍，收缩段由稳压管3-4-1上钻孔直径渐变为喷嘴直径，长度为喷嘴直径的1-3倍。
17.优选地，上述在注水口2-5的出口下方布置消能器2-7，降低进入水槽水流的紊动性。
18.优选地，上述透明挡板2-2与非透明挡板2-3间通过橡胶压条和玻璃胶进行密封；优选地，上述测速仪4-3上部处理器能够固定于操作平台2-4上，也可另行搭建支架进行固定。
19.优选地，上述实验装置还包括粒子图像测速仪或者激光测速仪，用于进行无干扰测速。
20.优选地，上述水槽宽度大于等于模型耙头宽度的3倍，长度大于等于耙头长度的8倍。
21.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。