用于测定超重力下泥浆临界沉淀流速的试验装置及方法

本发明属于管道流试验领域，尤其涉及了一种用于测定超重力下泥浆临界沉淀流速的试验装置及方法。

背景技术：

1、超重力实验在重大工程防灾减灾、深地深海资源开发、地下空间利用、地质过程研究等领域，取得了许多具有深远影响的科学突破和工程应用。目前，超重力场主要通过高速旋转的离心机来模拟，其通过高速旋转产生n倍于常重力场强度的离心加速度，以物质承受的离心惯性力模拟。在土工离心机中进行物理模拟试验，可以补偿因模型尺寸缩小而导致的自重应力损失，更加真实地反映土体材料的变形特性，有助于研究在极端环境下的地质演变规律、自然灾害机理等。

2、在泥水平衡盾构掘进、水力压裂、泥浆护壁等超重力物理模拟试验过程中往往需要注入泥浆。泥浆主要是由膨润土和水组成，而超重力模拟增大了物质体力，增加了不同密度相物质间相对运动驱动力，极易导致泥浆中出现膨润土和水分离现象，使得泥浆密度降低，影响泥浆质量。针对输送管路中的泥浆，实际工程中往往采用杜朗德公式计算泥浆临界沉淀流速，但是其在超重力条件下适用性未知。为确定管内泥浆沉淀规律，并获得超重力条件下的泥浆沉淀流速，为各个超重力物理模拟试验提供泥浆渗流设计指标，需要设计一种用于确定超重力泥浆临界沉淀流速的试验方法及装置。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种用于测定超重力下泥浆临界沉淀流速的试验装置及方法。本发明装置中包括管道渗流装置和土工离心机两部分，所述管道渗流装置被放置在所述土工离心机的第二吊篮中，逐渐提高土工离心机转臂的转速为管道渗流试验提供超重力环境。试验过程中泥浆由泥浆泵从模型箱抽取到泥浆管道，再由泥浆输送管道排放至模型箱内，形成泥浆的动态循环。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一、一种用于测定超重力下泥浆临界沉淀流速的试验装置：

4、装置包括模型箱、横隔板、泥浆泵、进浆组件、搅拌组件和监测组件；所述模型箱为顶端开口底端封闭的内部中空结构，模型箱用于存储泥浆；横隔板连接在模型箱的顶部，泥浆泵设置在模型箱的内部；泥浆泵底部与模型箱底部连通用于抽取模型箱内的泥浆，进浆组件的一端与泥浆泵的出口连通，进浆组件的另一端伸入到模型箱存储的泥浆中；搅拌组件的一端伸入到泥浆中且用于搅拌泥浆，监测组件连接横隔板上且用于实时监控试验过程中泥浆的沉淀情况；所述装置放置在土工离心机上，且装置与土工离心机中的控制中枢之间电连接。

5、所述的进浆组件包括直线观测管道、两根泥浆输送管道和空心圆筒；泥浆输送管道的顶部和直线观测管道均固定安装在横隔板的上表面，直线观测管道位于两根泥浆输送管道之间，且直线观测管道的两端分别与两根泥浆输送管道的顶端连通；横隔板的两侧分别开设有两个进浆通孔，空心圆筒连接在横隔板的下表面且空心圆筒与一个进浆通孔导通，泥浆泵位于另一个进浆通孔的正下方，一根泥浆输送管道的底部依次穿过一个进浆通孔和空心圆筒后伸入到泥浆中，另一根泥浆输送管道的底部依次穿过另一个进浆通孔后伸入到泥浆泵中。

6、所述的搅拌组件包括搅拌电机和搅拌叶片；横隔板的中部开设有搅拌通孔，搅拌电机的顶部连接在横隔板上，搅拌电机的电机主轴穿过搅拌通孔后伸入到泥浆中，若干个搅拌叶片沿着电机主轴的轴线均匀间隔地连接在电机主轴上，各个搅拌叶片均沿着电机主轴的径向设置。

7、所述的监测组件包括电磁流量计、摄像机和灯带；电磁流量计固定安装在泥浆输送管道上，用于实时监测泥浆动态循环过程中的泥浆流量；横隔板上开设有监控孔洞，摄像机和灯带均安装在横隔板上的监控孔洞处，摄像机用于实时拍摄记录泥浆循环过程中的图像，灯带用于提供泥浆循环过程中的照明。

8、所述泥浆输送管道为透明软管，直线观测管道为透明直线段管路，透明软管采用pvc钢丝软管，透明直线段管路采用有机玻璃管。

9、所述的进浆组件还包括钢喉箍，直线观测管道和泥浆输送管道之间通过钢喉箍密封连接。

10、所述搅拌叶片可绕着电机主轴转动地安装在搅拌电机上，相邻搅拌叶片之间的竖向间距为50mm～60mm。

11、所述的土工离心机包括第一吊篮、第二吊篮、离心机机座和控制中枢；第一吊篮和第二吊篮分别通过转臂固定安装在离心机机座的两侧，第一吊篮内部放置有配重块，装置固定安装在第二吊篮上，第二吊篮和离心机机座连接的转臂上设有电缆线，泥浆泵、电磁流量计和摄像机均通过电缆线与控制中枢相连；控制中枢用于调节泥浆流量、监控泥浆流量以及获取试验全过程的图像。

12、二、一种用于测定超重力下泥浆临界沉淀流速的试验方法，包括以下步骤：

13、步骤1：制备膨润土泥浆

14、将膨润土颗粒、羧甲基纤维素钠cmc和水按预设比例混合并充分搅拌，搅拌完成后静置24小时以上得到膨润土泥浆，当观察到膨润土泥浆中无沉淀后测量膨润土泥浆的密度；

15、步骤2：检查装置密封性

16、在常重力条件下组装整个装置，接着往模型箱中注满水，打开泥浆泵，利用进浆组件和泥浆泵进行水循环并持续30-40分钟，水循环过程中检验各设备及接口处的水密封情况：

17、若各个仪器密封情况良好，则进入步骤3；

18、否则，重新对装置进行组装，直到装置中各个设备密封情况良好；

19、步骤3：在常重力下往模型箱中注入水/膨润土泥浆，并启动装置进行常重力下的水/膨润土泥浆循环试验，试验过程中检测常重力下各项设备功能是否正常：

20、若各项设备功能正常，则进入步骤4；

21、否则，回到步骤2更换设备后重新组装装置，直到装置中各设备功能均正常；

22、步骤4：将整个装置安装在土工离心机的第二吊篮中，并保证装置安装的稳定性；

23、步骤5：装置放置平稳后，在模型箱中加入足量的膨润土泥浆，在常重力条件下，开启搅拌电机搅拌模型箱中的膨润土泥浆；

24、步骤6：启动土工离心机，提高土工离心机的加速度，在加速度达到目标ng值后，保持该ng值并持续2h；

25、步骤7：接着，降低土工离心机的加速度，待土工离心机停机后关闭搅拌电机，然后观测模型箱内泥浆沉淀情况并测量模型箱内泥浆的密度：

26、若模型箱中出现泥浆沉淀情况，则改变搅拌电机转速或搅拌叶片竖向角度，并重复步骤5～步骤7，直到模型箱中未出现泥浆沉淀情况；

27、若模型箱中没有出现泥浆沉淀情况，则保持此刻搅拌电机转速和搅拌叶片竖向角度，并继续执行步骤8；

28、步骤8：在模型箱中加入足量的泥浆，在常重力条件下，开启泥浆泵、搅拌电机、电磁流量计、摄像机和灯带，利用泥浆泵和进浆组件进行泥浆动态循环；在泥浆动态循环过程中实时监测电磁流量计的流量读数和直线观测管道中泥浆沉淀情况；同时泥浆动态循环过程中调节泥浆泵的流量使得直线观测管道内的泥浆流速不小于10m/s；

29、步骤9：当直线观测管道内的泥浆流速满足要求后，提高土工离心机的加速度，当加速度达到目标ng值后保持该ng值5-10min；然后逐级降低泥浆泵的流量值且当泥浆泵的流量每降低预设的固定流量△w时，在该流量条件下保持5分钟并观察直线观测管道中的泥浆沉淀情况；

30、步骤10：当直线观测管道内被观测到泥浆沉淀时，持续降低土工离心机的加速度，待土工离心机停机后测量直线观测管道内泥浆的密度；

31、步骤11：改变泥浆泵的初始流量，重复步骤8-步骤10进行多次泥浆动态循环试验，获得泥浆发生沉淀时电磁流量计的流量读数、以及直线观测管道中的泥浆密度；通过多次泥浆动态循环试验中直线观测管道中的沉淀情况和泥浆流量测定超重力条件下的泥浆临界沉淀流速。

32、所述步骤11中，泥浆临界沉淀流速的获取方式具体为：将多次泥浆动态循环试验中，泥浆发生沉淀时直线观测管道中的泥浆流速进行平均，并将多次试验的平均泥浆流速作为ng超重力条件下的泥浆临界沉淀流速。

33、本发明中技术方案的原理如下所示；

34、在常重力条件下：

35、泥浆中固相的比重量为γ1＝ρsolid·g

36、泥浆中液相的比重量为γ2＝ρliquid·g

37、浮力系数δρg＝(ρsolid-ρliquid)·g

38、在n倍超重力条件下：

39、泥浆中固相的比重量为γ3＝n·ρsolid·g

40、泥浆中液相的比重量为γ4＝n·ρliquid·g

41、浮力系数n·δρg＝n·(ρsolid-ρliquid)·g

42、其中，ρsolid、ρliquid分别表示泥浆中固相和液相的密度；g表示重力加速度；n表示土工离心机的离心加速度与重力加速度的比值；

43、泥浆中膨润土颗粒的平均粒径约20μm，在泥浆中沉积主要受到重力的作用。在n倍超重力作用下，泥浆颗粒重力增加了n倍，同时浮力系数也增大了n倍，增加了不同密度相物质间的相对运动驱动力，泥浆中膨润土颗粒在管道内流动过程中将更易发生沉淀行为。

44、试验过程中需将装置放置在土工离心机的吊篮模型舱中，在限制体积和容重的条件下，将泥浆泵放置在模型箱的一角，用于抽取泥浆，横隔板搭接在模型箱的顶面，用于固定所述直线观测管道、泥浆输送管道、搅拌电机、电磁流量计、高速摄像机以及灯带，泥浆泵、电磁流量计和高速摄像机与控制中枢电连接，同时保证了装置中泥浆流量的调节、泥水循环过程以及试验数据采集的完整性。

45、所述电磁流量计可用于实时监测整个泥浆输送管道内流量变化情况，高速摄像机可用于观测所述直线管道内的泥浆沉淀情况，所述搅拌电机和所述搅拌叶片用于防止模型箱中泥浆沉淀。本发明可以用于研究超重力环境下泥浆沉淀规律，并获得泥浆在超重力条件下的临界沉淀流速，为各个超重力物理模拟试验提供泥浆渗流设计指标。

46、本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

47、1、本发明可以用于改变泥浆流量，实时监测整个泥浆管路流量变化，监测实验过程中泥浆沉淀情况，得到管内泥浆沉淀规律，并获得泥浆在超重力条件下的临界沉淀流速，为各个超重力物理模拟试验提供泥浆渗流设计指标。

48、2、考虑到试验过程中，泥浆在模型箱内自身会由于超重力作用产生沉淀，因此，在模型箱中设置搅拌叶片，对模型箱内的泥浆进行扰动，防止泥浆沉淀。搅拌电机与搅拌叶片整体可拆卸，搅拌叶片竖向角度可调，可以更好防止模型箱中泥浆发生沉淀。

49、3、泥浆输送管道末端采用一个圆筒进行固定，防止泥水输送管道中的水或泥浆流速过大导致管路末端有较大的摆动。

50、4、透明直线管路采用有机玻璃管，并分别在有机玻璃管的外部和下方设置软尺和灯带，有助于更清晰地实时监测试验过程中泥浆沉淀情况。