[发明专利]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

说明书

技术领域：

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：

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。

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：

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。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，

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，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。

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。

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。

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。

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：

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；

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；

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；

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。