本发明涉及水利和航运研究领域，具体涉及一种水槽糙率系数实验装置。
背景技术：
糙率系数是河床、岸壁等不规则性和表面粗糙度以及其他影响水流运动能量损失的因素的一个综合性指标，它直接决定水流沿程能量损失的大小。
水流的水力计算是水利工程计算中一个重要的组成部分，其中，糙率系数的确定在工程设计及投资中意义十分重要，不论是天然渠道还是人工渠道，糙率都是水动力计算的关键因素，尤其在河工模型实验模拟中，糙率系数的确定尤为重要。近些年我国大力开展河道整治建设，重点江河河道演变通常需要进行河工模型实验，确保结论的可靠性。河工模型实验一般按照重力相似准则进行设计，模型需满足阻力相似要求。
在目前已有的水槽糙率系数确定实验中，糙率板与实验水槽均为一体成型设计。如果要改变糙率材料及密度，需要重新制作新的实验水槽底部，既费时又费力，增加实验成本。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种水槽糙率系数实验装置，以解决现有技术中糙率板不便更换的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种水槽糙率系数实验装置，包括供水系统、实验水槽以及对所述实验水槽的流量和水位进行测量的测量系统，所述实验水槽位于所述供水系统的一侧且与所述供水系统相连通，所述实验水槽包括靠近所述供水系统的进水池以及位于所述进水池一侧的槽体，且所述供水系统、所述进水池和所述槽体依次连通,所述槽体的底端安装有糙率板，所述糙率板可拆卸的连接于所述槽体。
进一步地，所述糙率板嵌入所述槽体底端，所述糙率板与所述槽体的接缝处设置有密封件。
进一步地，所述进水池包括与所述供水系统相连通的进水口以及与所述槽体相连通的出水口，所述进水口与所述出水口垂直设置。
进一步地，所述进水池与所述槽体之间设置有消除水流动能的消能挡板。
进一步地，所述测量系统包括位于所述供水系统一侧且可测量流量的电磁流量计以及位于所述槽体上且可观测水位的水位观测点。
进一步地，所述槽体的底部设置有可调节所述槽体倾斜度的调节装置。
进一步地，所述调节装置包括位于所述槽体的底端一侧且可调节所述槽体一侧升降的升降件以及位于所述槽体的底部并支撑所述槽体的支撑架。
进一步地，所述支撑架包括位于实验平台上的安装板、与安装板铰接的第一支撑杆和与第一支撑杆铰接的第二支撑杆，所述第二支撑杆铰接于所述槽体。
进一步地，所述实验装置还包括调节水流为明渠均匀流的尾门调节系统，所述尾门调节系统位于所述槽体远离所述进水池的一端。
进一步地，所述尾门调节系统包括安装架、插接于所述安装架的第一调节板、位于所述第一调节板的一侧且可阻挡所述溢流孔的第二调节板，所述第一调节板上开设有若干供水流流出的溢流孔；所述第二调节板包括若干个挡板单元，若干个挡板单元可分别拆卸或安装于所述第一调节板的一侧。
本发明的有益效果在于：
1、糙率板可拆卸的连接于槽体，当实验工况需要改变粗糙度时，直接对糙率板进行更换就可以实现实验装置糙率的改变，无需重新制作新的实验水槽底部形态，可以提前准备多个糙率板，确保实验的连续性，节约了人力物力，减少了实验成本。
2、通过设置密封件，对糙率板与槽体的接缝处进行密封，避免接缝处缝隙影响到实验的结果，使得实验结果更加精准。
3、进水口与出水口垂直设置，使得水流的流向改变后才能从出水口流出，在一定程度上减缓了水流的流速，消除了水流的部分动能，使得实验结果更加精准。
4、通过设置消能挡板，可以消除水流的部分动能，更接近自然状态的水流，使得糙率系数计算的更佳精准。
5、通过设置电磁流量计，对水流量进行测量，通过设置水位观测点，对水位进行观测，利用水位计和流量计相互校核，确保数据的准确性。
6、通过设置调节装置，实现槽体底部倾斜度的调节，进而实现糙率板的倾斜度调节，可以满足天然河道比降需求，无需在槽体内人工制作坡降，降低了实验成本。
7、升降件位于槽体底部的一端，升降件的升降可以实现槽体的倾斜度调整，支撑架可以对槽体进行支撑，保证槽体的倾斜度稳定，进而保障了实验的精度。
8、当水槽的倾斜度改变时，第一支撑杆与第二支撑杆的两端均铰接，便于第一支撑杆与第二支撑杆调整竖直方向上的高度，有利于支撑架更好的支撑整个槽体。
9、通过设置尾门调节系统，核定尾水的水位，确保整个实验装置水槽水位一致，便于将水流调整为明渠均匀流，方便糙率系数的测量计算。
10、第一调节板上设置有溢流孔，当水流留到第一调节板时，第一调节板对水流有一定的阻挡限流作用，进而方便水流调整为明渠均匀流。若干个挡板单元分别可拆卸安装于第一调节板的一侧，通过拆卸或安装挡板单元，使得挡板单元可以阻挡部分的溢流孔，进而方便水流调整为明渠均匀流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水槽糙率系数实验装置的平面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的水槽糙率系数实验装置的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的水槽糙率系数实验装置所采用的消能挡板的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的水槽糙率系数实验装置所采用的尾门调节系统的结构示意图。
附图标记说明：
1、供水系统；2、实验水槽；21、进水池；211、进水口；212、出水口；22、槽体；221、连接轴；222、连接弹簧；23、消能挡板；231、出水孔；24、糙率板；3、测量系统；31、电磁流量计；32、水位观测点；4、调节装置；41、升降件；42、支撑架；421、安装板；422、第一支撑杆；423、第二支撑杆；5、尾门调节系统；51、安装架；511、闸门槽；512、支撑挡架；52、第一调节板；521、溢流孔；53、第二调节板；531、挡板单元；6、尾水池。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参照图1和图2，本发明实施例提供一种水槽糙率系数实验装置，包括供水系统1、实验水槽2和可对实验水槽2的流量和水位进行测量的测量系统3，供水系统1与水泵房管道相连接，可以在糙率系数实验的过程中提供水源。
实验水槽2位于供水系统1的一侧且与供水系统1相连通，其包括靠近供水系统1的进水池21以及位于进水池21一侧的槽体22，供水系统1、进水池21和槽体22依次连通,槽体22的底端安装有糙率板24，糙率板24可拆卸的连接于槽体22。糙率板24即为普通的平面板上粘贴一些水泥墩、不同尺寸的砂砾或人工假树等，通过设置不同排列形式来增加平面板的粗糙程度,使之模拟自然状态下的河床。当实验工况需要改变粗糙度或排列方式时，直接对糙率板24进行更换就可以实现实验装置糙率的改变，无需重新制作新的实验水槽2底部形态，可以提前准备多个糙率板24，确保实验的连续性，节约了人力物力，减少了实验成本。
参照图1和图2，具体地，糙率板24的底部沿水流流动方向的两端的位置均设置有卡扣，槽体22底部设置有供卡扣靠接的连接槽，糙率板24与槽体22的底部实现卡扣连接。糙率板24可完全嵌入槽体22的底端。槽体22的两侧均为有机玻璃制作，便于观察水流的流动状态。糙率板24与槽体22的接缝处设置有密封件，本实施例中，密封件采用玻璃胶。当需要更换糙率板24时，掀开卡扣，用壁纸刀划开接缝处的玻璃胶即可轻松取下糙率板24进行更换。密封件采用玻璃胶，既可以对糙率板24与槽体22的接缝处进行密封，又便于糙率板24的更换。
其中，卡扣连接也可替换成插接或其他可拆卸连接的方式，密封件还可以采用热熔胶或者采用密封垫密封槽相互配合密封的形式进行密封。
参照图1，具体地，进水池21包括与供水系统1相连通的进水口211以及与槽体22相连通的出水口212，进水口211与出水口212垂直设置。进水口211与出水口212垂直设置，使得水流的流向改变后才能从出水口212流出，在一定程度上减缓了水流的流速，消除了水流的部分动能，使得实验结果更加精准。
参照图1和图3，进一步地，进水池21与槽体22之间设置有消除水流动能的消能挡板23。通过设置消能挡板23，可以消除水流的部分动能，更佳准确的模拟自然状态的水流，使得糙率系数计算的更佳精准。消能挡板23为一设置在进水池21和槽体22之间的板体，该板体垂直于槽体22的底端设置，且板体上布设有均匀的出水孔231，水流经出水孔231分散，消除了部分动能后，进入到槽体22内。
参照图1和图2，具体地，测量系统3包括电磁流量计31和水位观测点32，电磁流量计31安装在供水系统1与进水口211之间的管路上，电磁流量计31可对水流量进行测量。本实施例中，电磁流量计31选用国产d300流量计，此种电磁流量计31测量范围广，可满足不同流量需求。在使用时，电子流量计读数精确至0.01m3/h，为保证供水稳定，每次实验观测都在电磁流量计31数值达到流量设计值且稳定5分钟后进行。本实施例中，在槽体22上设置有两处水位观测点32，其中一处位于水流的上游位置，另一处位于水流的下游位置。水位观测点32上可安装有测压管对水位进行测量，采用测压管形式监测，而非传统水尺监测形式，可保证实验结果的准确性。利用水位计和流量计相互校核，进一步确保数据的准确性。
参照图2，进一步地，槽体22的底部设置有可调节槽体22倾斜角度的调节装置4。通过设置调节装置4，实现槽体22底部倾斜度的调节，进而实现糙率板24的倾斜度调节，可以满足天然河道比降需求，无需在槽体22内人工制作坡降，减少了实验成本。
参照图2，具体地，调节装置4包括位于槽体22的底端一侧且调节槽体22一侧升降的升降件41以及位于槽体22的底部并支撑槽体22的支撑架42，支撑架42为具有一定弹性的支撑元件。升降件41位于实验平台上，本实施例中升降件41采用液压千斤顶，升降件41的输出轴一端抵接槽体22底部靠近出水口212的一端。槽体22远离升降件41的一端设置有连接轴221，连接轴221固定在实验平台的钢架上，槽体22转动连接于连接轴221，当升降件41上升或下降时，槽体22可绕着连接轴221转动一定的角度。槽体22靠近出水口212一端设置有连接弹簧，连接弹簧的一端固定在槽体22上，另一端固定在出水口212处的进水池21本体上，通过设置的连接弹簧，实现槽体22与进水池21的柔性连接。当升降件41上升或下降时，槽体22的倾斜度变化，进而实现糙率板24的倾斜度变化，实现坡降。连接弹簧的设置方便了槽体22倾斜角度的调整。
其中，液压千斤顶还可以替换成丝杆升降机或电子气缸等其他可以实现升降功能的设备。连接弹簧可以替换成铰接链，铰接链之间留有活动的空间，选用铰接链也可实现槽体22与进水池21的柔性连接。
参照图2，支撑架42位于升降件41的一侧，支撑架42包括位于实验平台上的安装板421、与安装板421铰接的第一支撑杆422和与第一支撑杆422铰接的第二支撑杆423，第二支撑杆423铰接于槽体22的底部。当糙率板24的倾斜角度改变时，第一支撑杆422与第二支撑杆423的两端均铰接，便于第一支撑杆422与第二支撑杆423调整竖直方向上的高度，有利于支撑架42更好的支撑糙率板24。
第一支撑杆422和第二支撑杆423的数量至少为两个，且整个支撑架42为中心对称结构，若干第一支撑杆422的底端均与安装板421相铰接，若干第二支撑杆423的顶端均与槽体22底部相铰接，且第一支撑杆422可以直接和第二支撑杆423相铰接，多个支撑杆共同进行支撑。优选地，两个第一支撑杆422和两个第二支撑杆423为一组，同一组的第一支撑杆422和第二支撑杆423之间大体上围合成平行四边形机构，平行四边形机构既可以发生一定的形变，同时支撑效果也较好。
优选的，为了保证较好的支撑效果，第一支撑杆422和第二支撑杆423之间的铰接可以采用阻尼铰接，或者其他可以增加第一支撑杆422和第二支撑杆423之间的铰接力的铰接部件。
其中，支撑架42也可替换成弹簧，弹簧既可以横向形变又可以纵向形变，因此在槽体22底部发生倾斜时，弹簧也可对槽体22更好的支撑，进而实现对糙率板24的支撑。
参照图2和图4，进一步地，作为本发明实施例提供的一种水槽糙率系数实验装置，其还包括调节水流为明渠均匀流的尾门调节系统5，明渠均匀流是指明渠水流中水力要素(如水深、断面平均流速及流速分布等)均保持沿程不变的流动，又称明渠等速流。尾门调节系统5位于实验水槽2远离进水池21的一端。通过设置尾门调节系统5，核定尾水的水位，确保整个实验装置水槽水位一致，便于将水流调整为明渠均匀流，方便糙率系数的测量计算。
参照图2和4，具体地，尾门调节系统5包括安装架51、第一调节板52和第二调节板53，安装架51位于槽体22远离进水池21的一端，安装架51固定在槽体22上。安装架51的两侧设置有闸门槽511，第一调节板52插接于闸门槽511，第一调节板52上开设有若干供水流流出的溢流孔521。第一调节板52上设置有溢流孔521，当水流流到第一调节板52时，第一调节板52对水流有一定的阻挡限流作用，进而方便水流调整为明渠均匀流。
第二调节板53位于第一调节板52的一侧且可阻挡溢流孔521，第二调节板53包括若干个挡板单元531，若干个挡板单元531可分别拆卸或安装于第一调节板52的一侧。本实施例中，设置有十个挡板单元531，通过拆卸掉其中的几个挡板单元531，使得剩余的挡板单元531均匀的分布在第一调节板52的一侧，使得挡板单元531可以阻挡部分的溢流孔521，进而方便水流调整为明渠均匀流。支撑架42的顶端设置有支撑挡架512，支撑挡架512设置成u型，挡板单元531靠近顶端的位置抵接在支撑挡架512上，支撑挡架512对挡板单元531进行阻挡，加强挡板单元531的稳固性，避免挡板单元531被水流冲击后造成移动。尾门调节系统5远离槽体22的一侧设置有尾水池6，尾水池6可收集实验结束后的水流，便于对水流统一集中处理。
糙率系数可根据实验过程中的流量、流速、水深、底坡和断面的形状、尺寸等数据计算得到，采用的公式为曼宁公式，由此得到的糙率系数n称为曼宁糙率系数。
曼宁公式为：
根据曼宁公式反算糙率，即：
式中：q—流量；a—过水断面面积，a-槽体22的宽度，h-水深；c—谢才系数；r—水力半径；j—坡度；n—糙率。对于均匀流，水力坡度j用槽体22的底坡代替。其中，流量可以通过电磁流量计31获得，水深可以通过水位观测点32获得，其它参数均可又实验时设定或计算获得。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
1.一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，包括：
供水系统(1)；
实验水槽(2)，其位于所述供水系统(1)的一侧且与所述供水系统(1)相连通，其包括靠近所述供水系统(1)的进水池(21)以及位于所述进水池(21)一侧的槽体(22)，且所述供水系统(1)、所述进水池(21)和所述槽体(22)依次连通,所述槽体(22)的底端安装有糙率板(24)，所述糙率板(24)可拆卸的连接于所述槽体(22)；以及
对所述实验水槽(2)的流量和水位进行测量的测量系统(3)。
2.如权利要求1所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，所述糙率板(24)嵌入所述槽体(22)底端，所述糙率板(24)与所述槽体(22)的接缝处设置有密封件。
3.如权利要求1或2所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，所述进水池(21)包括与所述供水系统(1)相连通的进水口(211)以及与所述槽体(22)相连通的出水口(212)，所述进水口(211)与所述出水口(212)垂直设置。
4.如权利要求1或2所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，所述进水池(21)与所述槽体(22)之间设置有消除水流动能的消能挡板(23)。
5.如权利要求1或2所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，所述测量系统(3)包括位于所述供水系统(1)一侧且可测量水流量的电磁流量计(31)以及位于所述槽体(22)上且可观测水位的水位观测点(32)。
6.如权利要求1或2所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，所述槽体(22)的底部设置有可调节所述槽体(22)倾斜度的调节装置(4)。
7.如权利要求6所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，所述调节装置(4)包括位于所述槽体(22)的底端一侧且可调节所述槽体(22)一侧升降的升降件(41)以及位于所述槽体(22)的底部并支撑所述槽体(22)的支撑架(42)。
8.如权利要求7所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，所述支撑架(42)包括位于实验平台上的安装板(421)、与安装板(421)铰接的第一支撑杆(422)和与第一支撑杆(422)铰接的第二支撑杆(423)，所述第二支撑杆(423)铰接于所述槽体(22)。
9.如权利要求1或2所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，还包括调节水流为明渠均匀流的尾门调节系统(5)，所述尾门调节系统(5)位于所述槽体(22)远离所述进水池(21)的一端。
10.如权利要求9所述的一种水槽糙率系数实验装置，其特征在于，所述尾门调节系统(5)包括：
安装架(51)；
插接于所述安装架(51)的第一调节板(52)，所述第一调节板(52)上开设有若干供水流流出的溢流孔(521)；
位于所述第一调节板(52)的一侧且可阻挡所述溢流孔(521)的第二调节板(53)，所述第二调节板(53)包括若干个挡板单元(531)，若干个挡板单元(531)可分别拆卸或安装于所述第一调节板(52)的一侧。
技术总结