一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及推移质运动领域，一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验装置及其试验方法，用于模拟非均匀推移质颗粒的扩散特征和不同粒径推移质的分选规律。

背景技术

推移质的扩散和分选特性对于河口的河床沉积和河床沙坡成形具有重要影响。河床的表层通常为粗化层，而细颗粒推移质通常向河床底部沉积，而人们对于该自然界普遍规律形成机理的认知却非常有限。

为了解这一自然特征的形成机理，研究者们建立了相似比例的物理模型试验，采用不同粒径的颗粒模拟自然界中的非均匀推移质。试验表明，推移质的粒径对其沉积过程及垂直断面的分选特征具有重要的影响。因此，通过简化的物理模型试验进一步探寻不同粒径推移质的分选规律，并为其寻找理论模型，是未来研究的必然方向。

当前常用的推移质颗粒分选试验装置，通常是建立室内长缓坡水槽模拟自然界中的河床，并依据相似理论确定推移质的粒径，通过长时间在水槽上游侧注水和供给推移质颗粒，来模拟河流的流动推动槽底推移质的运动。该方案需要在注水的同时，在上游侧持续供入推移质颗粒，推移质颗粒在上游侧进入水槽后，一部分被水流携带流出水槽尾端，另一部分沉积到水槽底部。该方案的问题在于，一、推移质在水槽中运动存在的随机过程导致该方案得到的试验数据不够简化，而理论研究通常是简化模型，该方案难以为理论研究提供支撑；二、水的流速和对应的推移质供给速率的对应关系调控的可操作范围过大，一定程度上降低试验研究的普适性。三、推移质供给过程中的误差无法避免，输沙量难以精确控制。四、室内长水槽为了保证试验尺度，占用空间通常过大；五、实时监测难度大，并且每个时间点都是不可以复制的。

中国发明专利“河床推移质垂直断面分选模型试验装置及其使用方法”(专利号：cn105841920a)，公开了一种通过给密闭水槽的槽底安装传送带来取代长水槽的解决方案。该方案解决了室内长水槽占地空间过大的问题，并且实现了推移质颗粒分选和扩散过程的实时展现，但是试验数据的理论化分析仍然不够简单有效，很难做到对其普适规律的归纳总结。

因此，提供一种简化常规的水槽设计的试验装置来为理论研究提供依托，是科研人员和工程技术人员努力追求的方向，也是对非均匀推移质扩散和分选进行深入的理论研究的必要条件。

技术实现要素：

为了克服已有技术中非均匀推移质扩散和分选的物理过程复杂、有效性较差的不足，本发明提供了一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验装置及其试验方法，针对不同粒径的推移质分选设计试验装置，简化非均匀推移质扩散和分选的物理过程，减少除粒径之外的其他干扰项在试验过程中的影响，从而得到更加有规律性的试验数据用于支撑理论研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验装置，包括支架和安装在支架上的透明圆筒、驱动电机、激光设备及光学镜片和高速相机，所述的透明圆筒用于容纳试验所需的不同粒径的球形玻璃珠，由4个安装在支架上的滑轮支撑，所述的透明圆筒一侧通过止推轴承来约束轴向位移，且在避开激光照射范围和相机拍摄范围的顶部安装防护罩；所述的驱动电机为变频调速电机，置于透明圆筒上侧，通过齿轮传动带动透明圆筒的转动；所述的激光设备及光学镜片包括一个激光器，所述的激光器发射的激光束通过聚焦镜片、反光镜片及角锥以激光面的形式穿过透明圆筒的圆形截面，激光束在圆柱型滚筒中照亮的截面为高速相机的拍摄区域；所述的高速相机用于拍摄激光照射截面的球形玻璃珠的位移特征，所述的高速相机通过数据线与计算机连接以存储其拍摄的图像。

优选地，所述的透明圆筒为透明的有机玻璃材料，圆筒直径为30cm～60cm,圆筒长度为40cm～70cm，滚筒壁厚为1.5cm～2.5cm。

所述的防护罩为有机塑料材质，厚度为2cm～4cm，防护罩通过弧形固定条连接在支架上，所述的防护罩可避免实验过程中透明圆筒滑落，以增加装置的安全性。

所述的驱动电机在接通电源后可以匀速转动，转速可调节范围为0.1r/s～5r/s，电机转轴头部安装齿轮，直径为10cm～30cm，所述驱动电机置于透明圆筒上方，用于带动透明圆筒的转动，所述透明圆筒与驱动电机接触部分安装齿轮，其他部分为光滑表面。

所述的高速相机为黑白相机或彩色相机，用于拍摄透明圆筒内部，在600*800像素数下的最高拍摄频率不低于30fps，高速相机位于圆筒侧面正前方，固定在三脚架上，调整三脚架的高度和位置，使其拍摄窗口应覆盖整个截面，通过数据线连接计算机。

所述的激光器发射激光的波长为532nm，功率3kw～8kw，固定在试验装置上方的支架上，激光器发出的光束通过聚光镜、反光镜和角锥对光线路径的调整，穿过透明圆筒的圆形截面。

所述的支架为铝合金材质，支架间通过焊接和螺钉固定，所述支架包括一级支架和二级支架，所述一级支架为5cm*10cm的矩形方管，所述二级支架为5cm*5cm的矩形方管。

一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验方法，包括以下步骤：

(1)制作支架；

(2)选取2-3种不同粒径的透明玻璃珠，按照所需比例置于加工好的透明圆筒中，使得透明玻璃珠填满整个透明圆筒；

(3)在透明圆筒中加满清水，然后在清水中加入0.1g～0.5g罗丹明染色剂，并封闭滚筒；

(4)将透明圆筒置于4个滑轮上，并在一侧通过止推轴承约束轴向位移，在透明圆筒外侧安装保护罩，并固定在支架上，然后安装驱动电机，驱动电机与所述透明圆筒联动；

(5)将激光器固定在支架上，并依次安装聚光镜、反光镜和角锥，调整测试镜片位置，使激光束刚好经过镜片中心，使其照射范围可覆盖整个透明圆筒的圆形截面；

(6)安装高速相机，并通过数据线将其与计算机连接，高速相机安装在与侧面防护罩相反的一侧，其镜头垂直于激光照射面，调整三脚架的高度和位置，使高速相机的拍摄窗口覆盖透明圆筒的整个圆形截面；

(7)将驱动电机接通电源，使其匀速转动，并根据试验需要调整其转速；打开高速相机，设定高速相机的每秒拍摄帧数及总拍摄时长；关闭实验设备周边所有光源，打开激光器，并根据相机显示窗口的效果调整激光强度；

(8)试验结束后，保存高速相机拍摄的录像，并存储为视频格式或图片格式；关闭激光器、高速相机和驱动电机；

(9)基于拍摄到的图像信息，利用图像处理技术，获得透明玻璃珠的位移特征。

优选的，所述步骤(1)中，用矩形铝合金方管焊接支架，并安装滑轮和垫板。

所述步骤(4)中，所述透明圆筒与驱动电机接触部分安装齿轮，两个齿轮啮合。

本发明中，将不同粒径的推移质颗粒置入透明圆筒中，在外力驱动下使滚筒不停转动，不同粒径的推移质在转动过程中会发生分选。该试验装置出现大粒径颗粒向外围扩散，小粒径颗粒向轴心扩散的特征，这些与自然界中河床小粒径颗粒向下沉积，大粒径颗粒通常沉积在河床表层的特征是相对应的。另外，利用激光束照射透明圆筒截面，通过高速相机观测滚筒式试验装置的圆形截面得到不同粒径的颗粒实时的分布特征，从而可以得到颗粒分选的动力过程。并且该装置不存在水流量及输沙量等因素的限制，可以简单有效的研究分选过程的运动机理，并为相应的理论研究提供了可能性。

该装置的特点是将不同粒径的颗粒置于透明圆筒中，并持续转动透明圆筒来实现内部不同粒径颗粒的位移变迁。通过研究大粒径颗粒向外围扩散和小粒径颗粒向轴心扩散的位移变迁特征，来作为河床推移质非均匀颗粒分选的简化物理模型试验。该方案不仅简化了常规的推移质分选和扩散的物理模型，避免了常规试验中水速、边界效应等干扰因素，可以获得简单有效且规律性明显的两种粒径颗粒的位移数据，而且可以对其位移特征实时监测并得到大量实验数据，使总结其位移规律更为简便，为推移质分选的理论研究提供了可靠的简化模型。

本发明的有益效果主要表现在：该装置采用透明圆筒作为试验装置，通过研究透明圆筒的转动过程中内部大粒径颗粒向外围移动和小粒径颗粒向轴心移动的速度和位移特征，简化了常规的推移质分选和扩散的物理模型，避免了常规试验中水速、边界效应等干扰因素，可以获得简单有效且规律性明显的两种粒径颗粒的位移数据，并对其位移特征实时监测，为推移质分选的理论研究提供了简化模型和可靠的试验依据。

附图说明

图1是本发明试验装置正视图；

图2是本发明试验装置侧视图；

图3是本发明试验装置滚轴和圆筒衔接处细节图；

其中，1为接电线，2为激光器，3为一号激光聚焦镜片，4为镜片固定轴，5为反光镜片，6为二号激光聚焦镜片，7为角锥，8为防护罩，9为高速相机照射范围，10为高速相机，11为数据线，12为计算机，13为三脚架，14为一级支架，15为支架底座，16为二级支架，17为垫板，18为驱动电机，19为止推轴承，20为球形玻璃珠，21为滑轮，22为弧形固定条，23为透明圆筒，24为激光光线，25为圆筒齿轮，26为驱动电机齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验装置，包括支架和安装在支架上的透明圆筒、驱动电机、激光设备及光学镜片和高速相机，所述的透明圆筒用于容纳试验所需的不同粒径的球形玻璃珠，由4个安装在支架上的滑轮支撑，所述的透明圆筒一侧通过止推轴承来约束轴向位移，且在避开激光照射范围和相机拍摄范围的顶部安装防护罩；所述的驱动电机为变频调速电机，置于透明圆筒上侧，通过齿轮传动带动透明圆筒的转动；所述的激光设备及光学镜片包括一个激光器，所述的激光器发射的激光束通过聚焦镜片、反光镜片及角锥以激光面的形式穿过透明圆筒的圆形截面，激光束在圆柱型滚筒中照亮的截面为高速相机的拍摄区域；所述的高速相机用于拍摄激光照射截面的球形玻璃珠的位移特征，所述的高速相机通过数据线与计算机连接以存储其拍摄的图像。

优选地，所述的透明圆筒为透明的有机玻璃材料，圆筒直径为30cm～60cm,圆筒长度为40cm～70cm，滚筒壁厚为1.5cm～2.5cm。

所述的防护罩为有机塑料材质，厚度为2cm～4cm，防护罩通过弧形固定条连接在支架上，所述的防护罩可避免实验过程中透明圆筒滑落，以增加装置的安全性。

所述的驱动电机在接通电源后可以匀速转动，转速可调节范围为0.1r/s～5r/s，电机转轴头部安装齿轮，直径为10cm～30cm，所述驱动电机置于透明圆筒上方，用于带动透明圆筒的转动，所述透明圆筒与驱动电机接触部分安装齿轮，其他部分为光滑表面。

所述的高速相机为黑白相机或彩色相机，用于拍摄透明圆筒内部，在600*800像素数下的最高拍摄频率不低于30fps，高速相机位于圆筒侧面正前方，固定在三脚架上，调整三脚架的高度和位置，使其拍摄窗口应覆盖整个截面，通过数据线连接计算机。

所述的激光器发射激光的波长为532nm，功率3kw～8kw，固定在试验装置上方的支架上，激光器发出的光束通过聚光镜、反光镜和角锥对光线路径的调整，穿过透明圆筒的圆形截面。

所述的支架为铝合金材质，支架间通过焊接和螺钉固定，所述支架包括一级支架和二级支架，所述一级支架为5cm*10cm的矩形方管，所述二级支架为5cm*5cm的矩形方管。

本实施例中，装置由接电线1，激光器2，一号激光聚焦镜片3，镜片固定轴4，反光镜片5，二号激光聚焦镜片6，角锥7，防护罩8，高速相机10，数据线11，计算机12，三脚架13，一级支架14，支架底座15，二级支架16，垫板17，驱动电机18，止推轴承19，球形玻璃珠20，滑轮21，弧形固定条22，透明圆筒23，圆筒齿轮25，驱动电机齿轮26组成。

该装置采用透明圆筒作为试验装置，通过研究透明圆筒的转动过程中内部大粒径颗粒向外围移动和小粒径颗粒向圆心移动的速度和位移特征，简化了常规的推移质分选和扩散的物理模型，避免了常规试验中水速、边界效应等干扰因素，可以获得简单有效且规律性明显的两种粒径颗粒的位移数据，并对其位移特征实时监测，为推移质分选的理论研究提供了简化模型和可靠的试验依据。

一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验方法，包括以下步骤：

(1)制作支架；

(2)选取2-3种不同粒径的透明玻璃珠，按照所需比例置于加工好的透明圆筒中，使得透明玻璃珠填满整个透明圆筒；

(3)在透明圆筒中加满清水，然后在清水中加入0.1g～0.5g罗丹明染色剂，并封闭滚筒；

(4)将透明圆筒置于4个滑轮上，并在一侧通过止推轴承约束轴向位移，在透明圆筒外侧安装保护罩，并固定在支架上，然后安装驱动电机，驱动电机与所述透明圆筒联动；

(5)将激光器固定在支架上，并依次安装聚光镜、反光镜和角锥，调整测试镜片位置，使激光束刚好经过镜片中心，使其照射范围可覆盖整个透明圆筒的圆形截面；

(6)安装高速相机，并通过数据线将其与计算机连接，高速相机安装在与侧面防护罩相反的一侧，其镜头垂直于激光照射面，调整三脚架的高度和位置，使高速相机的拍摄窗口覆盖透明圆筒的整个圆形截面；

(7)将驱动电机接通电源，使其匀速转动，并根据试验需要调整其转速；打开高速相机，设定高速相机的每秒拍摄帧数及总拍摄时长；关闭实验设备周边所有光源，打开激光器，并根据相机显示窗口的效果调整激光强度；

(8)试验结束后，保存高速相机拍摄的录像，并存储为视频格式或图片格式；关闭激光器、高速相机和驱动电机；

(9)基于拍摄到的图像信息，利用图像处理技术，获得透明玻璃珠的位移特征。

优选的，所述步骤(1)中，用矩形铝合金方管焊接支架，并安装滑轮和垫板。

所述步骤(4)中，所述透明圆筒与驱动电机接触部分安装齿轮，两个齿轮啮合。

实例1：粒径比在推移质分选过程中的影响测试

预制有机玻璃材料的透明圆筒23，直径为40cm,长度为60cm，滚筒的壁厚为1.5cm。预制有机塑料材质的黑色防护罩8，厚度为3cm。准备铝合金材质的矩形方管若干，准备螺钉若干，一级支架14需为5cm*10cm的矩形方管，二级支架16需为5cm*5cm的矩形方管。将预制的防护罩8通过弧形固定条22围绕透明圆筒23外侧固定在一级支架14上。购置最大转速为5r/s、直径为10cm的驱动电机18，并安装在支架14上，其转轴头部安装齿轮26，使其与透明圆筒23外侧齿轮25啮合。将黑白高速相机10安装在三脚架13上，并调整三脚架13的高度和位置，使其照射范围9应覆盖整个圆筒截面，通过数据线11连接计算机12，其拍摄频率设定为10fps。安装波长为532nm、功率3kw的激光器2，并将其固定在试验装置上方的二级支架16上，安装聚光镜3、反光镜5和角锥7，调整光学镜片位置，使激光束24可穿过其中心位置，并且照亮整个透明圆筒的截面。

试验的具体操作分为三组：

第一组试验，选取直径比为1：2的两种材质相同的透明玻璃珠20，小号透明玻璃珠直径1cm，大号透明玻璃珠直径2cm，按照1：1的比例置于透明圆筒23中，使得透明玻璃珠20填满整个透明圆筒23。在透明圆筒23中加满清水，然后在清水中加入0.5g罗丹明染色剂，并封闭透明圆筒23。将透明圆筒23置于4个滑轮21上，并在一侧通过止推轴承19约束轴向位移，安装保护罩8并通过弧形固定条22固定在支架14上，然后安装驱动电机18。将驱动电机18接通接电线1，使其均速转动，并根据试验需要调整其转速。打开高速相机10，设定高速相机10的每秒拍摄帧数及总拍摄时长。关闭实验设备周边所有光源，打开激光器2，并根据相机显示窗口的效果调整激光强度。试验结束后，保存高速相机拍摄的录像，并存储为视频格式或图片格式。关闭激光器2、高速相机10和驱动电机18。基于拍摄到的图像信息，利用图像处理技术，获得透明玻璃珠20的位移特征及截面内流体的速度场。

第二组试验，选取直径比为1：3的两种材质相同的透明玻璃珠20，小号透明玻璃珠直径1cm，大号透明玻璃珠直径3cm，按照1：1的质量比置于透明圆筒23中，其他同第一组试验。

第三组试验，选取直径比为1：4的两种材质相同的透明玻璃珠20，小号透明玻璃珠直径1cm，大号透明玻璃珠直径4cm，按照1：1的质量比置于透明的透明圆筒23中，其他同第一组试验。