超重力场试验舱液位调节模拟装置及模拟方法与流程

本发明属于超重力场模拟技术领域，具体涉及超重力场试验舱液位调节模拟装置及模拟方法。

背景技术

在液体力作用下岩土颗粒发生运移形成管涌或漫顶溃决，导致坝体破坏，超重力场液位调节模拟装置是一种应用于离心机试验舱的液位模拟设备，通过在超重力场试验环境下调节液位，观测坝体缩尺模型在不同液位下的变化，从而揭示高坝溃决的机制与形成规律。

目前在超重力场下，液位升高实现手段是通过对试验区域单独供液体，具体做法是在地面上布置液体箱，利用旋转接头将液体箱里的液体传输至离心机试验舱，实现试验区域液位升高；或将液体箱布置在离心机转臂上，液体箱里的液体利用转臂转动形成的离心力甩入试验舱，实现试验区域液位升高。对于液位的降低，采取直接排出试验舱的方式。

传统液位调节技术虽可升高、降低液位，但调节过程循环利用率差，进行多次试验时，需多次加液体与多次排液体，液体箱需存储多次试验所需的液体量，存储液体量大，难以进行多次循环试验，并且液位降低的过程中，试验舱排出的液体由于离心旋转运动，易发生雾化现象，多次试验时，排液体量过大，造成机室环境过于潮湿，危害机室设备。

为了解决以上问题我方研发出了一种超重力场试验舱液位调节模拟装置及模拟方法。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种超重力场试验舱液位调节模拟装置及模拟方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

超重力场试验舱液位调节模拟装置，包括：

用于存储试验用液体的供液箱；

模型箱，供液箱与模型箱通过连接管连通；

用于与供液箱连接，并可将供液箱内的液体通过连接管送入模型箱，或通过连接管将模型箱内的液体送入供液箱的液压缸；

具体地，供液箱包括一上端设置有开口的筒体、活塞、活塞杆、连接杆，筒体的底部设置有第一供、排液口，活塞安装在筒体内，活塞的上端连接活塞杆的下端，活塞杆的上端与连接杆连接，液压缸的动力输出端与连接杆连接。

具体地，模型箱包括箱体、坝体模型，坝体模型置于箱体内，并在箱体和坝体模型之间形成液位调节区域，位于液位调节区域的箱体底部设置有第二供、排液口，第一供、排液口和第二供、排液口通过连接管连通。

优选地，液压缸为两个，活塞杆与连接杆的中部连接，两个液压缸的动力输出端分别与连接杆的两端连接。

优选地，供液箱的底板高度低于模型箱的底板高度。

超重力场试验舱液位调节模拟方法，包括通过液压缸推动连接杆上下移动，使活塞杆同步做上下移动：随着活塞杆向下移动，筒体里的液体被压入液位调节区域，实现高液位；随着活塞杆向上移动，筒体里的液体回流至筒体，实现低液位，选择合适的液位进行试验。

液位调节模拟方法还包括对筒体的最高液位hmax和筒体净空尺寸r的确定，采用如下公式计算：

其中ρ为液体的密度；h底为模型箱底板高度，h底为供液箱底板高度，hmin为初设筒体最低液位；hmax为筒体储液体量的最高液位；r为筒体净空尺寸；h为筒体高度；v为试验最大供液体量；

根据公式(1)第一个公式筒体储液体量的最高液位hmax由h1确定，其中模型箱底板高度大于供液箱底板高度：h底>h底，以满足最低液位h1为0时的调节需求；

筒体净空尺寸r由试验最大供液体量v确定；初设筒体最低液位hmin为一个确定值；根据公式(1)第二个公式得出筒体净空半径r；

筒体高度h由中已得出的最高液位hmax确定；筒体净空尺寸h>hmax+活塞高度。

本发明的有益效果在于：

本发明的超重力场试验舱液位调节模拟装置及模拟方法：

1、由液压缸、供液箱、模型箱及连接管组成，通过液压缸推动供液箱的活塞杆做循环往复运动，供液箱里的液体被循环压入或排出模型箱液位调节区域，使供液箱里的液体可循环利用，避免了液体直接排向舱外对机室及环境带来的危害，更安全可靠。

2、供液箱底板高度低于模型箱底板高度，使液位形成高度差，实现最低液位为0时的调节需求。

3、超重力场试验舱液位调节模拟方法能够更好的适配液位调节模拟装置。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中模型箱的结构示意图；

图3为本发明的工作原理示意图；

图4为本发明中供液箱和液压缸的结构示意图。

图中：1、供液箱；11、筒体；12、活塞；13、活塞杆；14、连接杆；15、第一供、排液口；2、液压缸；3、连接管；4、模型箱；41、箱体；42、坝体模型；43、液位调节区域；44、第二供、排液口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，超重力场试验舱液位调节模拟装置，包括：用于存储试验用液体的供液箱1；模型箱4，供液箱1与模型箱4通过连接管3连通；用于与供液箱1连接，并可将供液箱1内的液体通过连接管3送入模型箱4，或通过连接管3将模型箱4内的液体送入供液箱1的两个液压缸2；

如图4所示，供液箱1包括一上端设置有开口的筒体11、活塞12、活塞杆13、连接杆14，筒体11的底部设置有第一供、排液口15，活塞12安装在筒体11内，活塞12的上端连接活塞杆13的下端，活塞杆13的上端与连接杆14连接，液压缸2的动力输出端与连接杆14连接。

如图2所示，模型箱4包括箱体41、坝体模型42，坝体模型42置于箱体41内，并在箱体41和坝体模型42之间形成液位调节区域43，位于液位调节区域43的箱体41底部设置有第二供、排液口44，第一供、排液口15和第二供、排液口44通过连接管3连通。

活塞杆13与连接杆14的中部连接，两个液压缸2的动力输出端分别与连接杆14的两端连接。

供液箱1的底板高度低于模型箱4的底板高度。

如图2和图3所示，模型箱44提供试验坝体与试验液位区域，建立超重力场管涌试验发生环境。

设计液位调节区域43净空尺寸为l×w，由此依据液位调节范围确定一次循环试验最大供液体量v，假定观测坝体液位调节范围为h1-h2，则v＝s×(l×w×h2),其中s为最大液体量修正系数。

液压缸2推动连接杆14上下移动，连接杆14与活塞杆13固连，使活塞杆13同步做上下移动：随着活塞杆13向下移动，筒体11里的液体被压入液位调节区域43，实现高液位；随着活塞杆13向上移动，筒体11里的液体回流至筒体11，实现低液位，由于在超重力场g’环境下低液位回流区别于地面正常环境，因此基于超重力场g’低液位压力变化技术实现液位调节变化，以适应不同g’的超重力场液位调节需求。

筒体11需满足超重力场g’环境下液位调节区域43要求的液位变化，面向可调液位技术指标设计筒体11净空尺寸。

基于试验舱液位调节区域43液位变化范围为h1-h2的要求，设计筒体11尺寸及试验储液体量为：

筒体11净空尺寸：r×h；

筒体11储液体量液位变化：hmin—hmax。

为使供液箱11里的液体可在超重力场g，环境下实现h1-h2的液位变化，液体量需大于筒体11尺寸需满足以下技术指标：

其中ρ为液体的密度。

由此依据公式(1)确定筒体11尺寸值：

(1)根据公式(1)第一个公式筒体11储液体量的最高液位hmax由h1确定，其中模型箱4底板高度大于供液箱1底板高度：h底>h底，以满足最低液位h1为0时的调节需求；

(2)筒体11净空尺寸r由试验最大供液体量v确定，为防止活塞12与筒体11底面碰撞，初设筒体11最低液位hmin为一个确定值，根据公式(1)第二个公式得出筒体11净空半径r；

(3)筒体11高度h由(1)中已得出的最高液位hmax确定：为防止筒体11里的液体溢出，筒体11净空尺寸h>hmax+活塞12高度。

综上，设计了超重力场g′环境下的液位调节装置，基于液位调节需求h1-h2，供液箱1实现循环供液体的同时，满足不同g′环境下的液位要求。

从超重力场g′的角度出发，设计供液箱1筒体11净空尺寸与存储的液体量，针对性的满足不同g′下的液位调节需求。

装置不仅局限于液体为水时候的调节，在超重力场下对其它液体进行调节时，通过修正公式中的ρ即可实现对应液体液位调节。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。