[发明专利]黏性非牛顿流体中固体物质运动试验装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及黏性非牛顿流体运动的基础研究领域，尤其涉及一种黏性非牛顿流体中固体物质运动试验装置及其使用方法。主要适用于火山灰、黏性泥石流、雪崩等流体中包含的滚石、树枝等固体物质的运动规律模拟试验等技术领域，并可扩展至其他非牛顿流体与固体的两相流研究领域。

背景技术

在流体力学研究领域，黏性泥石流、火山灰、雪崩等黏性非牛顿流体中固体物质的运动特征是黏性泥石流等自然灾害堆积过程研究、非牛顿流体力学基础研究、城市防灾减灾工程施工设计的重要基础和核心要素。黏性非牛顿流体固体物质运动规律研究试验是了解与掌握自然灾害中黏性泥石流、火山灰、雪崩等黏性非牛顿流体堆积过程和破坏力递变规律的最有效、且最重要的手段之一。目前常规的黏性非牛顿流体中固体物质运动规律研究的试验装置往往是通过室内长水槽试验来实现的，且采用不透明的试验材料，仅能测量流体瞬时速度和短时间尺度运动后的固体物质个别断面分选情况，无法观测内部固体物质的垂向位移场和速度场，也无法进行实时、长时间尺度、可视化的监测。由于受室内水槽长度的限制，常规的黏性非牛顿流体水槽试验装置仅能模拟短时间固液两相流运动后固体物质的断面分布特征或瞬时速度，无法有效模拟固体物质在黏性非牛顿流体中长时间尺度运动过程中的垂向位移场和速度场；由于受到黏性非牛顿流体试验材料透明度的限制，无法进行可视化全断面的实时监测。因此，寻求一种可视化的黏性非牛顿流体长时间尺度运动过程中固体物质运动特征的试验装置，是工程技术人员努力追求的方向，也是对黏性泥石流、火山灰、雪崩等黏性非牛顿流体型自然灾害堆积规律和破坏力研究的必要条件。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的受室内水槽的长度和试验材料透明度限制，而无法观测内部固体物质的垂向位移场和速度场，也无法进行实时、可视化的监测的问题，提供一种可视化的、能够观测长时间尺度黏性非牛顿流体中不同形状、不同密度固体物质的运动特性，能够实时的监测黏性非牛顿流体中不同形状、不同质量的固体物质与流体间相互作用及长时间尺度运动规律的一种黏性非牛顿流体中固体物质运动试验装置。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种黏性非牛顿流体中固体物质运动试验装置，包括具有流体入口和流体出口的模型槽，所述流体入口和流体出口均连接着装载有黏性非牛顿流体试验材料的水箱，所述模型槽采用透明材料制成，所述模型槽底部靠近流体入口的那一端设置有长支架，所述模型槽底部靠近流体出口的那一端设置有短支架，所述长支架上装配有能够调节长支架长度的升降阀，所述模型槽内的底部设置有传送带，所述模型槽内配置有若干透明玻璃颗粒，所述模型槽的宽侧面处设置有激光仪以及与激光仪配合使用的反光镜，所述模型槽的窄侧面处设置有能够定时、定频率拍照的自动数码相机。

进一步地，所述流体入口和流体出口均分别通过水泵与水箱连接。

进一步地，所述模型槽还设置有出水口。

进一步地，所述传送带具有两个传送带转轴以及传送带表层履带。

进一步地，所述流体入口、流体出口和出水口均设置有阀门。

进一步地，所述制成模型槽的透明材料为透明有机玻璃或者透明钢化玻璃。

进一步地，所述短支架的高度为20cm～30cm，所述长支架的高度为20cm～60cm。

进一步地，所述传送带的长度等于模型槽的内径长度，传送带的长度为100cm～150cm，所述传送带转轴的直径为10cm～20cm。

一种黏性非牛顿流体中固体物质运动试验装置的使用方法，包括以下步骤：

1)根据模型槽的形状和尺寸，预制若干透明玻璃颗粒，预制黏性非牛顿流体的试验材料，将透明玻璃颗粒放置于模型槽内，将黏性非牛顿流体的试验材料放置于水箱内。

2)将长支架和短支架的两端分别固定于模型槽底部和地面，利用升降阀调节长支架的高度从而确定模型槽底部与水平面之间的倾斜角度。

3)在模型槽宽侧面布置激光仪，调整反光镜与激光仪的相对位置，使得激光仪的照射面为模型槽尾侧的透明玻璃颗粒的断面；在模型槽的窄侧面布置自动数码相机，调整自动数码相机的支架高度和角度，使其镜头垂直于激光仪的照射面。

4)设定自动数码相机的拍摄频率，打开激光仪和自动数码相机，将传送带接上电源并且启动传送带，调节传送带的转动速度。