CN108489874A - 一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，透明圆筒用于容纳试验所需的不规则形状泥沙，且在顶部安装防护罩；两组传送带置于透明圆筒底部，用于支撑透明圆筒且带动其转动；激光器发射的激光束以激光面的形式穿过透明圆筒的圆形截面，通过调节反光镜和透光反光镜，能使激光照射在三个不同的截面从而实现多截面三维观测；高速相机用于拍摄激光照射截面的泥沙颗粒的位移特征，通过数据线与计算机连接以存储其拍摄的图像。以及提供一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验方法。本发明简化非均匀推移质扩散和分选的物理过程，减少除粒径之外的其他干扰项在试验过程中的影响，从而得到更加有规律性的试验数据用于支撑理论研究。

Description

一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及河床沉积领域，尤其涉及一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置及其试验方法，用于模拟河床底部不同粒径的泥沙颗粒纵向沉积及其分选、扩散的动力过程。

背景技术

河床底部泥沙颗粒的移动和分选特性对于河口的河床沉积特性和河床沙坡成形具有重要影响。河床的表层通常沉积为粗颗粒泥沙，而细颗粒泥沙通常向河床底部沉积，而该自然界普遍规律形成机理的研究却非常有限。

为了解这一自然现象，人们通常建立物理模型试验，采用不同粒径的颗粒模拟自然界中的粒径不规则、形状各异的泥沙颗粒。试验表明，泥沙颗粒的粒径和形状对其沉积过程及垂直断面的分选特征具有重要的影响。因此，通过简化的物理模型试验进一步探寻不规则形状泥沙的分选规律，并为其寻找理论模型，是未来研究的必然方向。

当前常用的泥沙沉积规律及其分选过程试验装置，通常是建立室内长缓坡水槽模拟自然界中的河床，并依据相似理论确定泥沙颗粒的粒径范围，通过长时间在水槽上游侧注水和供给不同粒径和形状的颗粒，来模拟河流的流动推动槽底泥沙的沉积和分选。该方案需要在注水的同时，在上游侧持续供入泥沙颗粒，泥沙颗粒在上游侧进入水槽后，一部分被水流携带流出水槽尾端，另一部分沉积到水槽底部。该方案的问题在于，一、推移质在水槽中运动存在的随机过程导致该方案得到的试验数据不够简化，而理论研究通常是简化模型，该方案难以为理论研究提供支撑；二、水的流速和对应的颗粒供给速率的对应关系调控的可操作范围过大，一定程度上增加了对于不同粒径和形状颗粒堆积和分选的普适规律的把控难度。三、颗粒供给过程中的误差无法避免，输沙量难以精确控制。四、室内长水槽为了保证试验尺度，占用空间通常过大，只能用于研究泥沙颗粒沉积规律的试验，往往只关注宏观的堆积规律，并不能实时的捕获堆积过程中流体的速度场和推移质的位移特征。

因此，提供一种简化试验装置来取代当前繁杂且数据难以利用分析的水槽设计的试验模型，是科研人员和工程技术人员努力追求的方向，也是对非均匀推移质扩散和分选进行深入的理论研究的必要条件。

发明内容

为了克服现有技术的非均匀推移质扩散和分选的物理过程复杂、有效性较差的不足，本发明提供了一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验装置及其试验方法。针对不同粒径的推移质分选设计试验装置，简化非均匀推移质扩散和分选的物理过程，减少除粒径之外的其他干扰项在试验过程中的影响，从而得到更加有规律性的试验数据用于支撑理论研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，包括支架及其安装在支架上的透明圆筒、两组传送带、激光设备及光学镜片和高速相机，所述的透明圆筒用于容纳试验所需的不规则形状泥沙，且在避开激光照射范围和相机拍摄范围的顶部安装防护罩，且将防护罩固定在支架上；所述的两组传送带置于透明圆筒底部，用于支撑透明圆筒且带动其转动，两者衔接部分均设置为齿轮形状；所述的激光设备及光学镜片包括一个激光器，所述的激光器发射的激光束通过光学镜片的作用，以激光面的形式穿过透明圆筒的圆形截面，激光束在圆柱型滚筒中照亮的截面为相机的拍摄区域，通过调节反光镜和透光反光镜，能使激光照射在三个不同的截面从而实现多截面三维观测；所述的高速相机用于拍摄激光照射截面的泥沙颗粒的位移特征，通过数据线与计算机连接以存储其拍摄的图像。

优选地，所述的透明圆筒为透明的有机玻璃材料，圆筒直径为30cm～60cm,圆筒长度为70cm～100cm，滚筒壁厚为1.5cm～2.5cm。

所述的防护罩为有机塑料材质，厚度为2cm～4cm，防护罩通过弧形固定条固定在支架上，另外，防护罩上固定有安装透镜的迷你支架。

所述的传送带宽度为10cm～20cm，履带长度为100cm～150cm，传送带两侧通过轴承支撑，传送带轴承固定在支架上。

所述的高速相机为黑白相机或彩色相机，用于拍摄透明圆筒内部，像素数不低于600*800，相机位于圆筒侧面正前方，固定在三脚架上，调整三脚架的高度和位置，使其拍摄窗口应覆盖整个截面，通过数据线连接计算机。

所述的激光器发射激光的波长为532nm，功率3KW～8KW，固定在试验装置上方的支架上，激光器发出的光束通过聚光镜、反光镜、透光反光镜和角锥对光线路径的调整，使得激光照射面可以分别穿过透明圆筒的三个不同截面。

所述的支架为铝合金材质，支架间通过焊接和螺钉固定，所述支架包括一级支架和二级支架，所述一级支架为5cm*10cm的矩形方管，所述二级支架为5cm*5cm的矩形方管。

一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验方法，包括以下步骤：

(1)制作支架；

(2)选取不规则形状泥沙置于透明圆筒中，使得泥沙粒填满整个透明圆筒；

(3)在透明圆筒中加满清水，然后在清水中加入0.1g～0.5g罗丹明染色剂，并封闭滚筒；

(4)将透明圆筒置于传送带上，并在一侧通过止推轴承约束轴向位移，将装有迷你支架的防护罩安装在透明圆筒顶部，并通过弧形固定条连接在支架上；

(5)将激光器固定在支架上，并依次安装聚光镜、反光镜、透光反光镜和角锥光学镜片，调整测试镜片位置，使激光束刚好经过所有镜片中心，通过调整三个反光镜，可以使得激光分别不同时地照射到三个不同的截面；距离观测点远的截面选择透光率较低的透光反光镜，距离观测点较近的截面选择透光率较高的透光反光镜，从而在不调节激光强度的情况下，相机拍摄的三个截面具有相同光强；

(6)安装高速相机，并通过数据线将其与计算机连接，其镜头垂直于激光照射面，调整三脚架的高度和位置，使相机的拍摄窗口覆盖透明圆筒的整个圆形截面；

(7)将传送带接通电源，使其均速转动，并根据试验需要调整其转速，关闭实验设备周边所有光源，打开激光器，并根据相机显示窗口的效果调整激光强度；

(8)试验过程中每10分钟拍摄一张照片，且三个截面轮流拍摄，试验时常不低于24小时；且试验结束后，保存相机拍摄的录像，并存储为视频格式或图片格式；关闭激光器、相机和传送带；

(9)基于拍摄到的图像信息，利用图像处理技术，获得透明泥沙颗粒的位移特征。

优选的，所述步骤(1)中，用矩形铝合金方管焊接支架，并安装传送带及固定装置。

本发明中，将不同粒径的推移质颗粒置入透明圆筒中，在外力驱动下使滚筒不停转动，不同粒径的推移质在转动过程中会发生分选。该试验装置出现大粒径颗粒向外围扩散，小粒径颗粒向轴心扩散的特征，这些与自然界中河床小粒径颗粒向下沉积，大粒径颗粒通常沉积在河床表层的特征是相对应的。另外，利用激光束照射透明圆筒截面，通过相机观测滚筒式试验装置的圆形截面得到不同粒径的颗粒实时的分布特征，从而可以得到颗粒分选的动力过程。并且该装置不存在水流量及输沙量等因素的限制，可以简单有效的研究分选过程的运动机理，并为相应的理论研究提供了可能性。另外，该装置通过光学镜片，使激光光束照亮三个截面，可实现多断面的三维实时监测。

该装置的特点是将不同粒径的颗粒置于透明圆筒中，并持续转动透明圆筒来实现内部不同粒径颗粒的位移变迁。通过研究大粒径颗粒向外围扩散和小粒径颗粒向轴心扩散的位移变迁特征，来作为河床推移质非均匀颗粒分选的简化物理模型试验。该方案不仅简化了常规的推移质分选和扩散的物理模型，避免了常规试验中水速、边界效应等干扰因素，可以获得简单有效且规律性明显的两种粒径颗粒的位移数据，而且可以对其位移特征实时监测并得到大量实验数据，使总结其位移规律更为简便，为推移质分选的理论研究提供了可靠的简化模型。

本发明的有益效果主要表现在：该装置采用透明圆筒作为试验装置，通过研究透明圆筒的转动过程中内部大粒径颗粒向外围移动和小粒径颗粒向圆心移动的速度和位移特征，简化了常规的推移质分选和扩散的物理模型，避免了常规试验中水速、边界效应等干扰因素，可以获得简单有效且规律性明显的两种粒径颗粒的位移数据，并对其位移特征实时监测，为推移质分选的理论研究提供了简化模型和可靠的试验依据。

附图说明

图1是本发明试验装置正视图；

图2是本发明试验装置侧视图；

图3是本发明试验装置履带和圆筒衔接处细节图；

其中，1为连电线，2为激光器，3为一号激光聚焦镜片，4为镜片固定轴，5为二级支架，6为一号透光反光镜片，7为二号透光反光镜片，8为反光镜片，9为二号激光聚焦镜片，10为角锥，11为激光光线，12为透明泥沙颗粒，13为相机照射范围，14为高速相机，15为数据线，16为计算机，17为三角支架，18为透明圆筒，19为弧形固定条，20为防护罩支架，21为止推轴承，22为传送带轴承，23为塑料垫板，24为一级支架，25为底座，26为传送带支架，27为传送带，28为迷你支架，29为螺钉，30为顶部防护罩，31为透明圆筒齿轮，32为履带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，包括支架及其安装在支架上的透明圆筒、两组传送带、激光设备及光学镜片和高速相机，所述的透明圆筒用于容纳试验所需的不规则形状泥沙，且在避开激光照射范围和相机拍摄范围的顶部安装防护罩，且将防护罩固定在支架上；所述的两组传送带置于透明圆筒底部，用于支撑透明圆筒且带动其转动，两者衔接部分均设置为齿轮形状；所述的激光设备及光学镜片包括一个激光器，所述的激光器发射的激光束通过光学镜片的作用，以激光面的形式穿过透明圆筒的圆形截面，激光束在圆柱型滚筒中照亮的截面为相机的拍摄区域，通过调节反光镜和透光反光镜，能使激光照射在三个不同的截面从而实现多截面三维观测；所述的高速相机用于拍摄激光照射截面的泥沙颗粒的位移特征，通过数据线与计算机连接以存储其拍摄的图像。

优选地，所述的透明圆筒为透明的有机玻璃材料，圆筒直径为30cm～60cm,圆筒长度为70cm～100cm，滚筒壁厚为1.5cm～2.5cm。

所述的防护罩为有机塑料材质，厚度为2cm～4cm，防护罩通过弧形固定条固定在支架上，另外，防护罩上固定有安装透镜的迷你支架。

所述的传送带宽度为10cm～20cm，履带长度为100cm～150cm，传送带两侧通过轴承支撑，传送带轴承固定在支架上。

所述的高速相机为黑白相机或彩色相机，用于拍摄透明圆筒内部，像素数不低于600*800，相机位于圆筒侧面正前方，固定在三脚架上，调整三脚架的高度和位置，使其拍摄窗口应覆盖整个截面，通过数据线连接计算机。

所述的激光器发射激光的波长为532nm，功率3KW～8KW，固定在试验装置上方的支架上，激光器发出的光束通过聚光镜、反光镜、透光反光镜和角锥对光线路径的调整，使得激光照射面可以分别穿过透明圆筒的三个不同截面。

所述的支架为铝合金材质，支架间通过焊接和螺钉固定，所述支架包括一级支架和二级支架，所述一级支架为5cm*10cm的矩形方管，所述二级支架为5cm*5cm的矩形方管。

本实施例的滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，由连电线1，激光器2，一号激光聚焦镜片3，镜片固定轴4，二级支架5，一号透光反光镜片6，二号透光反光镜片7，反光镜片8，二号激光聚焦镜片9，角锥10，透明泥沙颗粒12，高速相机14，数据线15，计算机16，三角支架17，透明圆筒18，弧形固定条19，防护罩支架20，止推轴承21，传送带轴承22，塑料垫板23，一级支架24，底座25，传送带支架26，传送带27，迷你支架28，螺钉29，顶部防护罩30，透明圆筒齿轮31，履带32塑料垫板组成。该装置采用传送带带动透明圆筒缓慢匀速转动，通过研究透明圆筒的转动过程中内部大粒径颗粒向外围移动和小粒径颗粒向圆心移动的速度和位移特征，简化了常规的泥沙沉积和分选的物理模型，避免了常规试验中水速、边界效应等干扰因素，可以获得简单有效且规律性明显的两种粒径颗粒的位移数据，另外，该装置通过调节透光反射镜的位置，可以使得激光分别照射三个不同的截面，并用相机轮流拍摄三个截面，实现了多截面三维实时监测。

一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验方法，包括以下步骤：

(1)制作支架；

(2)选取不规则形状泥沙置于透明圆筒中，使得泥沙粒填满整个透明圆筒；

(3)在透明圆筒中加满清水，然后在清水中加入0.1g～0.5g罗丹明染色剂，并封闭滚筒；

(4)将透明圆筒置于传送带上，并在一侧通过止推轴承约束轴向位移，将装有迷你支架的防护罩安装在透明圆筒顶部，并通过弧形固定条连接在支架上；

(5)将激光器固定在支架上，并依次安装聚光镜、反光镜、透光反光镜和角锥光学镜片，调整测试镜片位置，使激光束刚好经过所有镜片中心，通过调整三个反光镜，可以使得激光分别不同时地照射到三个不同的截面；距离观测点远的截面选择透光率较低的透光反光镜，距离观测点较近的截面选择透光率较高的透光反光镜，从而在不调节激光强度的情况下，相机拍摄的三个截面具有相同光强；

(6)安装高速相机，并通过数据线将其与计算机连接，其镜头垂直于激光照射面，调整三脚架的高度和位置，使相机的拍摄窗口覆盖透明圆筒的整个圆形截面；

(7)将传送带接通电源，使其均速转动，并根据试验需要调整其转速，关闭实验设备周边所有光源，打开激光器，并根据相机显示窗口的效果调整激光强度；

(8)试验过程中每10分钟拍摄一张照片，且三个截面轮流拍摄，试验时常不低于24小时；且试验结束后，保存相机拍摄的录像，并存储为视频格式或图片格式；关闭激光器、相机和传送带；

(9)基于拍摄到的图像信息，利用图像处理技术，获得透明泥沙颗粒的位移特征。

优选的，所述步骤(1)中，用矩形铝合金方管焊接支架，并安装传送带及固定装置。

实例1：不同粒径的泥沙颗粒配比对其沉积过程中分选的试验模拟

预制有机玻璃材料的透明圆筒18，直径为30cm～60cm(本实施例为30cm),长度为70cm～100cm(本实施例为80cm)，壁厚为1.5cm～2.5cm(本实施例为2cm)；预制铝合金材质的矩形方管若干，包括5cm*10cm的矩形方管和5cm*5cm的矩形方管两种，并通过焊接和螺钉连接；预制有机塑料材质的防护罩18，厚度为2cm～4cm(本实施例为4cm)，并将迷你支架28的固定在防护罩30上；预制宽度为10cm～20cm(本实施例为15cm)的传送带27，履带32长度为100cm～150cm(本实施例为130cm)，传送带27两侧通过传送带轴承22支撑并固定在传送带支架26上；将透明圆筒18置于传送带上，然后通过弧形固定条19将防护罩30固定连接在防护罩支架20上；将相机14安装在圆形侧面正前方，固定在三脚架17上，调整三脚架17的高度和位置，使其拍摄窗口13应覆盖整个截面，通过数据线15连接计算机16；安装波长为532nm，功率3KW～8KW(本实施例为8KW)的激光器2，将其通过塑料垫板23固定在试验装置上方的二级支架5上；安装聚光镜(3、9)、透光反光镜(6、7)、反光镜8和角锥10；调整光学镜片位置，使激光器2发出的光束11路径均通过光学镜片中心，调整三个反光镜，使得激光照射面11可以分别穿过透明圆筒18的三个不同截面。

试验总共分为5组：

第一组试验，选取2种粒径分别为2cm和4cm的泥沙颗粒12，按照1：1比例置于透明圆筒18中，使得泥沙颗粒12填满整个透明圆筒18；在透明圆筒18中加满清水，然后在清水中加入0.1g罗丹明染色剂，并封闭圆筒18；调整测试镜片位置，使激光束11刚好经过所有镜片中心，通过调整三个反光镜，可以使得激光分别不同时地照射到三个不同的截面；调整三脚架17的高度和位置，使高速相机14的拍摄窗口13覆盖透明圆筒18的整个圆形截面；将传送带27接通电源，使其均速转动，并根据试验需要调整其转速。关闭实验设备周边所有光源，打开激光器2，并根据相机14显示窗口的效果调整激光强度；试验过程中每10分钟拍摄一张照片，且三个截面轮流拍摄，试验时常不低于24小时；且试验结束后，保存相机14拍摄的录像，并存储为视频格式或图片格式。关闭激光器2、高速相机14和传送带27；基于拍摄到的图像信息，利用图像处理技术，获得透明泥沙颗粒12的位移特征。

第二组至第五组试验，然后将两种粒径的泥沙颗粒12分别按照1:2、2:1、1:4、4:1的比例置于透明圆筒18内部，其他同第一组试验。

Claims (9)

1.一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，其特征在于，所述装置包括支架及其安装在支架上的透明圆筒、两组传送带、激光设备及光学镜片和高速相机，所述的透明圆筒用于容纳试验所需的不规则形状泥沙，且在避开激光照射范围和相机拍摄范围的顶部安装防护罩，且将防护罩固定在支架上；所述的两组传送带置于透明圆筒底部，用于支撑透明圆筒且带动其转动，两者衔接部分均设置为齿轮形状；所述的激光设备及光学镜片包括一个激光器，所述的激光器发射的激光束通过光学镜片的作用，以激光面的形式穿过透明圆筒的圆形截面，激光束在圆柱型滚筒中照亮的截面为相机的拍摄区域，通过调节反光镜和透光反光镜，能使激光照射在三个不同的截面从而实现多截面三维观测；所述的高速相机用于拍摄激光照射截面的泥沙颗粒的位移特征，通过数据线与计算机连接以存储其拍摄的图像。

2.如权利要求1所述的一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，其特征在于，所述的透明圆筒为透明的有机玻璃材料，圆筒直径为30cm～60cm,圆筒长度为70cm～100cm，滚筒壁厚为1.5cm～2.5cm。

3.如权利要求1或2所述的一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，其特征在于，所述的防护罩为有机塑料材质，厚度为2cm～4cm，防护罩通过弧形固定条固定在支架上，另外，防护罩上固定有安装透镜的迷你支架。

4.如权利要求1或2所述的一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，其特征在于，所述的传送带宽度为10cm～20cm，履带长度为100cm～150cm，传送带两侧通过轴承支撑，传送带轴承固定在支架上。

5.如权利要求1或2所述的一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，其特征在于，所述的高速相机为黑白相机或彩色相机，用于拍摄透明圆筒内部，像素数不低于600*800，相机位于圆筒侧面正前方，固定在三脚架上，调整三脚架的高度和位置，使其拍摄窗口应覆盖整个截面，通过数据线连接计算机。

6.如权利要求1或2所述的一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，其特征在于，所述的激光器发射激光的波长为532nm，功率3KW～8KW，固定在试验装置上方的支架上，激光器发出的光束通过聚光镜、反光镜、透光反光镜和角锥对光线路径的调整，使得激光照射面可以分别穿过透明圆筒的三个不同截面。

7.如权利要求1或2所述的一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，其特征在于，所述的支架为铝合金材质，支架间通过焊接和螺钉固定，所述支架包括一级支架和二级支架，所述一级支架为5cm*10cm的矩形方管，所述二级支架为5cm*5cm的矩形方管。

8.一种如权利要求1所述的滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置实现的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)制作支架；

(2)选取不规则形状泥沙置于透明圆筒中，使得泥沙粒填满整个透明圆筒；

(3)在透明圆筒中加满清水，然后在清水中加入0.1g～0.5g罗丹明染色剂，并封闭滚筒；

(4)将透明圆筒置于传送带上，并在一侧通过止推轴承约束轴向位移，将装有迷你支架的防护罩安装在透明圆筒顶部，并通过弧形固定条连接在支架上；

(5)将激光器固定在支架上，并依次安装聚光镜、反光镜、透光反光镜和角锥光学镜片，调整测试镜片位置，使激光束刚好经过所有镜片中心，通过调整三个反光镜，可以使得激光分别不同时地照射到三个不同的截面；距离观测点远的截面选择透光率较低的透光反光镜，距离观测点较近的截面选择透光率较高的透光反光镜，从而在不调节激光强度的情况下，相机拍摄的三个截面具有相同光强；

(6)安装高速相机，并通过数据线将其与计算机连接，其镜头垂直于激光照射面，调整三脚架的高度和位置，使相机的拍摄窗口覆盖透明圆筒的整个圆形截面；

(7)将传送带接通电源，使其均速转动，并根据试验需要调整其转速，关闭实验设备周边所有光源，打开激光器，并根据相机显示窗口的效果调整激光强度；

(8)试验过程中每10分钟拍摄一张照片，且三个截面轮流拍摄，试验时常不低于24小时；且试验结束后，保存相机拍摄的录像，并存储为视频格式或图片格式；关闭激光器、相机和传送带；

(9)基于拍摄到的图像信息，利用图像处理技术，获得透明泥沙颗粒的位移特征。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，用矩形铝合金方管焊接支架，并安装传送带及固定装置。