一种测定运动流体对松散颗粒侵蚀影响深度的装置及方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及工程应用力学技术领域，特别是涉及一种测定运动流体对松散颗粒侵蚀影响深度的装置及方法。
【背景技术】
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[0002]运动流体对松散颗粒体的剪切侵蚀现象较为广泛的存在于自然界和各工程领域之中，例如坡面水流对土壤的剪切侵蚀过程、河流床面泥沙的运动及河道演变过程、人工渠道与压力管道中颗粒的冲刷与输运过程等。因而流体对松散颗粒体的剪切侵蚀作用对人类生活和工程建设均产生着不同的影响，也受到了包括地貌学、水利学和各应用工程学领域专家和学者的极大关注，并成为相关学科的热点和难点课题。然而，目前对上述剪切侵蚀过程的定量化研究仍不够充分。
[0003]流体剪切侵蚀作用研究现状:理论研究能够实现简单条件下流体的剪切作用力以及颗粒的受力分析，但这种分析做出了诸多简化，常常仅能够对剪切侵蚀作用做出一定程度的定性解释，却不能在实际复杂条件下得到准确可靠的结果;基于数值计算的研究看似能够适应实际的复杂条件，但由于流体剪切侵蚀定量模型的研究不足也注定使结果不能满足实际的情况，而实际上数值计算采用的剪切侵蚀模型(或者模型中的经验系数)也基本是由试验得来的；试验是流体剪切侵蚀研究的主要手段，专家和学者们常通过试验和理论分析得到在特定试验条件下半经验半理论的计算公式，而这些成果正在现阶段的各个行业中发挥着重要的作用。在试验研究中，有压管道的侵蚀试验相对容易控制，而无压条件下的侵蚀试验则一般在流通槽中进行，但在流通槽试验中流体沿程的流动状态很难保持稳定，流体速度调节空间有限，难以获得较大的流动速度，同时流速和流深等关键因素也难以得到定量化的有效控制，正是由于上述这些因素的制约，常使流通槽模型试验的设计不能达到预期的目的，也使所得到的定量化试验结果不够精确。因而，迫切需要找到一种能够有效控制流体的流动要素并且可靠稳定的试验仪器来开展相关的研究工作。
【发明内容】
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[0004]针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种测定运动流体对松散颗粒侵蚀影响深度的装置及方法，用于模拟运动流体对松散颗粒体剪切侵蚀过程及进行剪切侵蚀影响深度测定。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，
[0006]—种测定运动流体对松散颗粒侵蚀影响深度的装置，包括框架，框架上固接有支撑板和横梁，所述横梁位于支撑板的上方，支撑板上固接有第一环形圆筒和第二环形圆筒，所述第一环形圆筒套装在第二环形圆筒外侧，所述第一环形圆筒外壁上设置有刻度，两环形圆筒之间形成空腔，用以填充松散颗粒和流体，且流体高度超过松散颗粒高度，流体上端覆盖有环形盖板，环形盖板上端面固接有环形支架，所述横梁上架设有减速机和电动机，减速机与电动机的输出轴连接，由所述电动机带动，减速机的输出轴连接于所述环形支架。
[0007]所述电动机还外接有电流计和变频调速器及断路器，变频调速器外接控制装置。
[0008]所述减速机的输出轴上设置有动态测量仪，动态测量仪外接数据采集装置。
[0009]所述框架外架设有高速数字摄像机，摄像机外接数据采集装置。
[0010]采用上述的装置测定运动流体对松散颗粒体剪切侵蚀影响深度的方法，具体步骤如下:
[0011 ]步骤一:将装置放置于试验场地，并调整支撑板、电动机及减速机至水平位置，检查并调整减速机、环形盖板及两个环形圆筒的轴心对中，确保试验的准确性，将电动机外接变频调速器；
[0012]步骤二:向两环形圆筒之间形成的空腔中填充一定深度的松散颗粒，通过第一环形圆筒外壁上的刻度读取松散颗粒的高度H1，然后向空腔中填充流体，流体没过松散颗粒一定高度，并记录流体高出颗粒表面高度h;
[0013]步骤三:开启电动机，并通过变频调速器和减速机共同调整减速机输出轴的转速，直至环形盖板转动，带动测试流体转动，进而带动松散颗粒在圆筒内运动，当流体对松散颗粒体的剪切侵蚀达到动态稳定时，一部分松散颗粒被运动流体带动起来随流体一起做悬移质运动，而还有一部分松散颗粒在底层做推移质运动，形成较为稳定的运动层，通过第一环形圆筒外壁上的刻度读取空腔内没有被运动流体带动的松散颗粒的高度H2;
[0014]步骤四:用步骤二中松散颗粒的高度H1减去步骤三中读取的没有被运动流体带动的松散颗粒的高度H2，计算得到测试流体对松散颗粒的侵蚀影响深度H3。
[0015]所述电动机外接电流计和断路器，并将变频调速器外接控制装置，通过变频调速器来控制控制电动机的输出功率及转速。
[0016]在所述减速机的输出轴上安装动态测量仪，并将动态测量仪外接数据采集装置，通过动态测量仪上的显示屏读取试验过程中输出轴的转速，进而得到环形盖板的实际转速。
[0017]在所述框架外架设高速数字摄像机，并将摄像机外接数据采集装置，对试验过程中流体和松散颗粒的运动状态及侵蚀状态进行记录，通过对照片的观察来判断流体对松散颗粒体的剪切侵蚀是否达到动态稳定，同时还可以根据照片对步骤三中读取的空腔内没有被运动流体带动的松散颗粒的高度H2进行校核。
[0018]本发明一种测定运动流体对松散颗粒侵蚀影响深度的装置及方法的有益效果:可以在试验的环形结构试验区实现流体及松散颗粒体厚度的设置，同时还可以通过电动机及变频调速器控制流体的运动速度，实现对运动流体流深及流速进行有效的控制，实现在不同运动要素组合条件下流体对松散颗粒体剪切侵蚀的试验，从而弥补了现有流通槽剪切侵蚀试验中对流深和流体速度在控制方面的不足，并能通过对试验结果进行准确而有效的采集记录与分析，得到侵蚀影响深度，且能实时读取试验过程中相关试验数据，与现有常规的流通槽试验相比，本发明具有操作简单，设计灵活，控制有效，测量方便，分析准确的特点；通过调整流体的流深及速度过程，可以有效模拟在不同流体运动状态(即不同运动要素组合条件)下，流体对松散颗粒体的剪切侵蚀过程，从而提高流体对松散颗粒体剪切侵蚀过程的认识与研究水平，并且能够将所得到的研究成果通过实际工程应用进行验证与反馈。
【附图说明】
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[0019]图1为本发明一种测定运动流体对松散颗粒侵蚀影响深度的装置的结构示意图；
[0020]图2为开始进行试验前流体及松散颗粒的高度分布图；
[0021 ]图3为试验中松散颗粒被运动流体带动达到动态稳定时流体及松散颗粒的高度分布图；
[0022 ] 1-框架，2-支撑板，3-横梁，4-第一环形圆筒，5-第二环形圆筒，6-空腔，7-松散颗粒，8_流体，9_环形盖板，10-环形支架，11-减速机，12-电动机，13-电流计，14-变频调速器，15-断路器，16-动态测量仪，17-摄像机，18-电脑，H1-静止状态下松散颗粒的高度，h-静止状态下流体高出颗粒表面高度，H2-空腔内没有被运动流体带动的松散颗粒的高度，H3-总侵蚀影响深度，H4-推移质运动层上表面所在的高度。
【具体实施方式】
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[0023]下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0024]根据图1所示，一种测定运动流体对松散颗粒侵蚀影响深度的装置，包括框架1，框架I上固接有支撑板2和横梁3，所述横梁3位于支撑板2的上方，支撑板2上固接有第一环形圆筒4和第二环形圆筒5，所述第一环形圆筒4套装在第二环形圆筒5外侧，所述第一环形圆筒4外壁上设置有刻度，两环形圆筒之间形成空腔6，用以填充松散颗粒7和流体8，且流体8高度超过松散颗粒7高度，流体8上端覆盖有环形盖板9，环形盖板9上端面固接有环形支架1，所述横梁3上架设有减速机11和电动机12，减速机11与电动机12的输出轴连接，由所述电动机12带动，电动机12还外接有电流计13和变频调速器14及断