[发明专利]一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法

说明书

本发明公开了一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法，该装置包括传力丝杆，弹簧，力传感器，压杆，上腔体，主腔体，下腔体和供气系统。其中上腔体和下腔体通过螺杆紧固连接，中间夹装主腔体，形成上下贯通的密封气腔。主腔体采用透明的亚克力材质整体加工而成，内部装填颗粒物质，顶端装有可上下移动的活塞式压头，底部通过焊接在下腔体上的进气口过滤板支撑；腔体顶部安装有压杆，下腔体底部通过法兰螺栓与振动台连接；上腔体的出气口接管和下腔体的进气口接管分别与供气系统相连接，并且在接管上安装流量计和压力计。本发明能够充分模拟包层内颗粒的热应力环境，在给颗粒物质加上压力载荷同时，观察颗粒受到振动时的运动状态。

技术领域

本发明属于颗粒物质振动动力学测量技术领域，具体涉及一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法。

背景技术

颗粒物质是由大量离散的固体颗粒组成的体系，颗粒物质具有流体的流动性，又具备固体的强抗压性，因而被广泛地应用于工业领域。在聚变堆的固态包层设计中，氚增殖剂和中子倍增剂被设计制造为球形颗粒。

颗粒物质在竖直振动激励下会出现混合物的分离现象，如“巴西果”效应，即混合颗粒受到垂直振动后，大颗粒上浮到表层，而小颗粒下沉到底层的现象。但是由于颗粒体系的复杂性，难以对受到振动后的颗粒运动状态进行预测，而且目前对于颗粒受到振动后产生的“巴西果”效应和“反巴西果”效应，仍然没有一个普遍接受的理论对其进行解释。因此，本发明旨在设计一种实验装置，模拟包层内颗粒受到热应力环境，在给颗粒加上一定的压力负载后，测量颗粒受到垂直振动后的运动状态(如颗粒的速度和运动轨迹，混合颗粒的分布情况)，揭示颗粒系统受到振动后的运动规律，为聚变堆固态包层的设计研究提供数据支持。

目前对于颗粒物质振动分层现象的研究，董军军在《颗粒材料振动实验仪研制》一文中，设计了一种颗粒材料振动实验仪，其不足之处是：主实验腔体并未采用透明材质，无法对实验中的颗粒运动状态进行观察，且颗粒并没有抽真空后通入气体，忽略了气体对分层现象的影响。李芳芳在《竖直振动颗粒床对流机制的颗粒尺度实验研究》一文中设计了一种实验系统，可以高速拍摄振动颗粒床的振动，经软件处理后可获得颗粒的运动轨迹，其不足之处是没有压力加载系统，无法模拟预应力载荷环境开展颗粒物质振动状态实验研究。

总结上述研究中几种测量颗粒振动的实验装置，其设计方案的不足之处，主要有以下几点：(1)没有考虑气体对颗粒振动后的运动状态的影响。(2)没有压力加载装置，无法真实模拟预应力载荷环境。(3)主腔室没有采用透明材质，无法对颗粒振动后的运动状态进行实时的观察测量。

发明内容

为了克服现有装置无法测量颗粒的运动流场、无颗粒加压设备和供气系统的缺点，本发明提出一种测量颗粒物质振动的实验装置及方法，用于测量颗粒在受到垂直振动后的运动状态。该装置的主腔体采用透明材质制作，利于对颗粒的运动轨迹进行观察测量。本装置采用了加载组件对主腔体的颗粒进行加压以模拟包层内的热应力环境。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种测量颗粒物质振动的实验装置，该装置包括传力丝杆，弹簧，力传感器，压杆，上腔体，主腔体，下腔体和供气系统组成，其中上腔体和下腔体通过螺杆紧固连接，中间夹装主腔体，形成上下贯通的密封气腔；所述的主腔体采用透明的亚克力材质整体加工而成，可以对内部装填的颗粒物质运动状态进行实时的观察测量，顶端装有可上下移动的活塞式压头，底部通过焊接在下腔体上的进气口过滤板支撑；所述的上腔体顶部安装有压杆，下腔体底部通过法兰螺栓与振动台连接；上腔体的出气口接管和下腔体的进气口接管分别与供气系统相连接，并且在接管上安装流量计和压力计。

进一步地，所述的传力丝杆和传力丝杆法兰通过自锁螺纹配合，由力臂带动传力丝杆旋转并沿轴向向下进动，传力丝杆法兰由4根支撑杆固定在上腔体法兰上。