張宏偉 王彩霞 謝斯達(dá) 劉靜茹

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

1 背景分析

水族產(chǎn)品日漸豐富，水族市場(chǎng)更加繁榮昌盛[1]，可是水族箱中只有一些魚(yú)兒游來(lái)游去雖然好看，卻不免讓人感覺(jué)有些單調(diào)。山水風(fēng)景美麗如畫(huà)，山和水是大自然中主體，可以說(shuō)自然界中缺少了水，就像缺少了活力，缺少了生命的源泉。水族箱中的景觀在感觀上是“靜止”的，因缺乏動(dòng)感而顯得較為呆板，顯得有些美中不足。流沙瀑布作為一種近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型的水景景觀頗受人們喜愛(ài)。流沙瀑布水景的基本原理是采用增氧泵形成負(fù)壓，利用氣泡上升的原理，如圖1所示，使造景內(nèi)部的水流快速流動(dòng)并帶動(dòng)底部沙箱中的沙子向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)沙子到達(dá)流沙瀑布造景上部的出沙口處時(shí)流出，利用重力的作用重新回落到流沙造景底部的沙箱中，形成動(dòng)態(tài)的流沙瀑布效果。

然而在實(shí)際使用中，這種流沙瀑布景觀的確有很多問(wèn)題。增氧泵的原理是將空氣壓入水中，讓空氣中的氧氣與水體充分接觸，使氧氣融入水中，由于采用空氣作為動(dòng)力源和載體，會(huì)在流沙瀑布造景附近形成氣泡，降低了水族箱或魚(yú)缸的整體畫(huà)面感，并且增氧泵設(shè)置在水箱外，啟動(dòng)后噪聲很大，給人們的生活、工作帶來(lái)許多不便。另一方面，水箱換水時(shí)，水體容易溢出，增氧泵外置有安全隱患。另外由于氣泡的產(chǎn)生是間斷性的，因此無(wú)法形成連續(xù)穩(wěn)定的水沙混合體，造成沙子間歇性的從出沙口處流出，與實(shí)際的瀑布效果存在差異，降低了流沙瀑布動(dòng)態(tài)效果的真實(shí)感。同時(shí)由于流沙不連續(xù)，從而在出沙口處會(huì)發(fā)生堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致流沙出口堵塞。因此，現(xiàn)代快節(jié)奏的工作生活讓人們感到疲倦，家居水箱的出現(xiàn)緩解了人們的疲勞，居家的舒適感、安全性尤為重要。因此仿真度高、安全性能強(qiáng)、美觀大方一體式的流沙瀑布景觀研制尤為重要。

2 設(shè)計(jì)原理

本項(xiàng)目以此為突破口，將水景的核心設(shè)置改用為潛水泵，潛水泵一般是作為過(guò)濾裝置的水流交換而設(shè)置在魚(yú)缸中的，主要是讓死水變活水作用是將魚(yú)缸水提升至過(guò)濾槽后，再通過(guò)濾槽的各個(gè)區(qū)域，然后回流到魚(yú)缸，起到循環(huán)的作用。利用流體的流動(dòng)作為水沙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，可以保證流沙的流動(dòng)連續(xù)性。同時(shí)為了增強(qiáng)在流沙進(jìn)口處的動(dòng)力，改變易堵的問(wèn)題我們采用畢托管進(jìn)行構(gòu)建。依據(jù)歐拉方程由下式所示：

A1V1=A2V2=Q——連續(xù)方程。

∑F=ρQ(β2V2-β1V1)——?jiǎng)恿糠匠獭?/p>

依據(jù)能量守恒原理，在沿流線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，總和保持不變[3]。正壓流體在有勢(shì)徹體力作用下作定常運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于重力場(chǎng)中的不可壓縮均質(zhì)流體，顯然，流動(dòng)中速度增大，壓強(qiáng)就減?。凰俣葴p小，壓強(qiáng)就增大；速度降為零，壓強(qiáng)就達(dá)到最大(理論上應(yīng)等于總壓)。根據(jù)畢托管的特性，我們將流沙的導(dǎo)管改用為畢托管。發(fā)動(dòng)潛水泵將水體輸入到畢托管中，水體由畢托管的粗管流入細(xì)管在縮口處流動(dòng)速度增大，壓強(qiáng)減小，形成負(fù)壓,從而使流沙瀑布進(jìn)行運(yùn)行，如圖2所示。

這樣一體化的設(shè)計(jì)既解決了增氧泵帶來(lái)的噪聲問(wèn)題，又能夠解決流沙易堵等問(wèn)題，給人們的生活帶來(lái)更舒適的享受。

3 成果展示

基于以上設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了新型的流沙水景裝置，如圖3所示。

如圖4，圖5所示，用畢托管作為核心構(gòu)件，用假山石、水草等景物加以裝飾做成一個(gè)水箱。

4 結(jié)語(yǔ)

將普通輸沙管換為畢托管，增氧泵換為潛水泵，水箱多次運(yùn)轉(zhuǎn)后，普通水箱已經(jīng)出現(xiàn)出沙不連續(xù)、噪聲大、水體溢出等問(wèn)題。而我們的新型流沙瀑布運(yùn)轉(zhuǎn)依然很流暢。

新型流沙瀑布的出現(xiàn)解決了市面上瀑布水箱普遍存在的問(wèn)題，滿足了人們對(duì)于水族箱越來(lái)越高的剛性需求,故而改進(jìn)水箱的人性化設(shè)計(jì)是很有必要的。新型水箱的設(shè)計(jì)也可根據(jù)景觀類型與水箱用途變換不同的造景風(fēng)格。