CN108627431B - 一种颗粒环形库埃特剪切流实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种颗粒环形库埃特剪切流实验装置。技术方案为：包括机壳、支撑杆、横梁、剪切室、变频电动机和传动机构，剪切室包括底盘、内圆筒和外圆筒，内圆筒和外圆筒同轴设置，内圆筒一端与底盘同轴紧固连接，底盘与外圆筒之间留有间隙，内圆筒另一端与横梁紧固连接，支撑杆与横梁及机壳的上盖板紧固连接；传动机构包括回转盘、回转支撑轴承、驱动轴和蜗轮蜗杆减速器，外圆筒与回转盘同轴紧固连接，回转盘与回转支撑轴承的内圈同轴紧固连接，回转支撑轴承的外圈与机壳的上盖板紧固连接，驱动轴一端与回转盘同轴连接，驱动轴另一端与蜗轮蜗杆减速器输出轴同轴连接，变频电动机与蜗轮蜗杆减速器输入轴同轴连接。本发明的实验装置，颗粒流动特征丰富，实验精度高。
Description
技术领域
本发明属于工程试验装置技术领域，具体涉及一种颗粒环形库埃特剪切流实验装置。
背景技术
颗粒流泛指颗粒材料在外力和内部应力作用下发生的类似于流动的运动状态，颗粒流动现象在自然界和工业过程中广泛存在，比如山体滑坡、泥石流、粮食加工和药品生产。为了研究颗粒流动特性，需要建立一个连续的颗粒流动模型。环形库埃特颗粒流是将颗粒限制在两个同轴的圆柱筒内，通过内圆筒、外圆筒转动使颗粒产生流动；关于内圆筒转动的颗粒环形库埃特颗粒流，由于内圆筒直径相对较小，造成颗粒流动区域较窄，有时，颗粒流动区域只有几个颗粒直径大小，而对于外圆筒转动的结构，颗粒流动区域比较宽，颗粒在剪切流动过程中表现出颗粒流动特征非常丰富，通过实验，可以观测到剪切颗粒流中颗粒的环向、径向、垂向运动，颗粒的分离、混合特性以及剪切带流变过程等。
颗粒流动特性研究可以采用数值模拟和实验方法，由于数值模拟方法在计算时有时会引入简化公式和经验公式，造成模拟结果可靠性差，有时数值模拟的结果在实际工程中只能具有参考意义，模拟结果的准确性仍需要通过实验进行验证。当前的实验装置无法达到要求，需要制做相应的实验装置。
发明内容
本发明提供一种颗粒环形库埃特剪切流实验装置，颗粒流动特征丰富，实验精度高。
本发明的技术方案如下：
一种颗粒环形库埃特剪切流实验装置，包括机壳、支撑杆、横梁、剪切室、变频电动机和传动机构，所述剪切室包括底盘、内圆筒和外圆筒，内圆筒和外圆筒同轴设置，内圆筒一端与底盘同轴紧固连接，底盘与外圆筒之间留有间隙，内圆筒另一端与横梁紧固连接，支撑杆一端与横梁紧固连接，支撑杆另一端与机壳的上盖板紧固连接；所述传动机构包括回转盘、回转支撑轴承、驱动轴和蜗轮蜗杆减速器，外圆筒与回转盘同轴紧固连接，回转盘与回转支撑轴承的内圈同轴紧固连接，回转支撑轴承的外圈与机壳的上盖板紧固连接，驱动轴一端与回转盘同轴连接，驱动轴另一端与蜗轮蜗杆减速器输出轴同轴连接，变频电动机与蜗轮蜗杆减速器输入轴同轴连接，变频电动机固定于支撑座上，所述支撑座安装在所述机壳上。
所述的颗粒环形库埃特剪切流实验装置，其优选方案为，所述变频电动机通过变频器控制转速，所述变频器安装在所述机壳上。
所述的颗粒环形库埃特剪切流实验装置，其优选方案为，所述底盘将所述剪切室分隔成上、下两部分，剪切室上部分颗粒只受外圆筒内侧壁面剪切作用而发生流动。
所述的颗粒环形库埃特剪切流实验装置，其优选方案为，所述外圆筒、内圆筒、横梁均采用透明材料制作，以便于观察颗粒运动状态。
所述的颗粒环形库埃特剪切流实验装置，其优选方案为，还设有定位装置，包括定位板、压杆和导向筒，所述定位板为半圆板，所述定位板的外圆弧和内圆弧直径分别与外圆筒和内圆筒相同，所述定位板上设有多个不同径向距离的通孔，所述通孔直径与空心铁球直径相同，所述导向筒安装在所述通孔处，所述压杆插入所述导向筒将空心铁球压入所述外圆筒内的颗粒介质中。
本发明的有益效果为：
1、回转支撑轴承提高了实验装置承载能力和外圆筒回转精度。
2、内圆筒与横梁紧固连接，支撑杆一端与横梁紧固连接，支撑杆另一端与机壳上盖板紧固连接，由此保证内圆筒静止。
3、变频器控制变频电动机转速，能够实现宽广范围内精准速度调节。
4、本发明解决了颗粒流动区窄，致使颗粒在剪切流动过程中表现出颗粒流动特征不丰富的问题，结合观测手段可以观测到剪切流中颗粒的环向、径向、垂向运动，颗粒的分离、混合特性以及剪切带流变过程等。
5、本装置机构简单，运行稳定可靠，速度控制精确。
附图说明
图1为颗粒环形库埃特剪切流实验装置结构图；
图2为变频电动机和传动机构装配示意图；
图3为定位装置结构图；
图4为定位板结构图；
图5(a)为初始时刻示踪颗粒在颗粒流表面排列的图片；图5(b)为运动过程中示踪颗粒在颗粒流表面排列的图片；
图6为不同时刻空心铁球在颗粒介质表层上浮过程图片。
具体实施方式
如图1-4所示，一种颗粒环形库埃特剪切流实验装置，包括机壳7、支撑杆2、横梁1、剪切室、变频电动机8、传动机构和定位装置，所述剪切室包括底盘5、内圆筒4和外圆筒3，内圆筒4和外圆筒3同轴设置，内圆筒4一端与底盘5同轴紧固连接，底盘5与外圆筒3之间留有间隙，内圆筒4另一端与横梁1紧固连接，支撑杆2一端与横梁1紧固连接，支撑杆2另一端与机壳7的上盖板紧固连接；所述底盘5将所述剪切室分隔成上、下两部分，剪切室上部分颗粒只受外圆筒3内侧壁面剪切作用而发生流动；所述传动机构包括回转盘6、回转支撑轴承15、驱动轴16和蜗轮蜗杆减速器12，外圆筒3与回转盘6同轴紧固连接，回转盘6与回转支撑轴承15的内圈同轴紧固连接，回转支撑轴承15的外圈与机壳7的上盖板紧固连接，驱动轴16一端与回转盘6同轴连接，驱动轴16另一端与蜗轮蜗杆减速器12输出轴同轴连接，涡轮蜗杆减速器12通过法兰13和法兰14与机壳7上盖板紧固连接，变频电动机8通过法兰11与涡轮蜗杆减速器12输入轴同轴连接，变频电动机8固定于支撑座9上，所述支撑座9安装在所述机壳7上；所述变频电动机8通过变频器10控制转速，所述变频器10安装在所述机壳7上；所述外圆筒3、内圆筒4、横梁1均采用透明材料制作，以便于观察颗粒运动状态；定位装置包括定位板22、压杆20和导向筒21，所述定位板22为半圆板，所述定位板22的外圆弧和内圆弧直径分别与外圆筒3和内圆筒4相同，所述定位板22上设有多个不同径向距离的通孔23，所述通孔23直径与空心铁球直径相同，所述导向筒21安装在所述通孔23处，所述压杆20插入所述导向筒21将空心铁球压入所述外圆筒3内的颗粒介质中。
当通过高速摄像技术追踪示踪颗粒在颗粒流表面或侧面运动过程时，示踪颗粒可以用不同颜色同种颗粒，也可以用不同颜色不同物理性质的颗粒。图片数据可以通过图像分析软件处理，以获得不同时刻示踪颗粒位置信息。进行实验时，外圆筒3内装有颗粒介质，既可以是不同颜色同种颗粒，也可以是不同颜色不同物理性质的颗粒。输入变频器10参数并启动变频电动机8，变频电动机8的转动通过涡轮蜗杆减速器12、驱动轴16、回转支撑轴承15和回转盘6转化为外圆筒3的转动。由于内圆筒4保持静止，底盘5将剪切室分隔成上、下两部分，底盘5上部分的颗粒受外圆筒3壁面的剪切作用而发生流动。当通过高速摄像机拍摄示踪颗粒运动过程时，图片数据可以通过图像分析软件处理，以获得不同时刻颗粒位置信息。
实施例1
选用直径Φ1mm的透明玻璃球作为颗粒介质，并将一部分颗粒表面喷上一层薄薄的黑色涂层作为示踪颗粒。实验时，示踪颗粒沿外圆筒3径向紧密排列在颗粒介质表面，启动变频电动机8和高速摄像机拍摄示踪颗粒随颗粒介质流动过程，实验结果如图5所示，可以看到，如图5(a)所示，初始时刻示踪颗粒沿外圆筒3径向紧密排列在颗粒介质表面，随着时间增加，如图5(b)所示，示踪颗粒在颗粒介质表面形成一条弯曲弧形曲线，曲线末端示踪颗粒可以视为剪切带边界所在位置并用来度量剪切带宽度。
实施例2
选用直径为Φ1mm的透明玻璃球作为颗粒介质，选用直径为Φ25mm、壁厚为1mm的黑色空心铁球作为示踪颗粒，空心铁球表面开有直径为Φ4mm通孔，用于投放钢珠，以改变空心铁球重量。实验时，通过定位装置将空心铁球压入颗粒介质内部，所述导向筒21安装在所述通孔23处，所述压杆20插入所述导向筒21将空心铁球压入所述外圆筒3内的颗粒介质中。启动变频电动机8和高速摄像机拍摄空心铁球在颗粒流表层上浮过程，实验结果如图6所示，可以看到，第5s时刻空心铁球从颗粒流内部刚刚上浮至颗粒流表层，随着时间的增加，空心铁球在颗粒流表层露出的轮廓越来越大，第9s时刻，空心铁球完全上浮至颗粒流表层，在空心铁球上浮过程中，空心铁球沿着颗粒流动方向运动并且不断向外圆筒3靠近。
Claims (3)
1.一种颗粒环形库埃特剪切流实验装置，其特征在于，包括机壳、支撑杆、横梁、剪切室、变频电动机和传动机构，所述剪切室包括底盘、内圆筒和外圆筒，内圆筒和外圆筒同轴设置，内圆筒一端与底盘同轴紧固连接，底盘与外圆筒之间留有间隙，内圆筒另一端与横梁紧固连接，支撑杆一端与横梁紧固连接，支撑杆另一端与机壳的上盖板紧固连接；所述传动机构包括回转盘、回转支撑轴承、驱动轴和蜗轮蜗杆减速器，外圆筒与回转盘同轴紧固连接，回转盘与回转支撑轴承的内圈同轴紧固连接，回转支撑轴承的外圈与机壳的上盖板紧固连接，驱动轴一端与回转盘同轴连接，驱动轴另一端与蜗轮蜗杆减速器输出轴同轴连接，变频电动机与蜗轮蜗杆减速器输入轴同轴连接，变频电动机固定于支撑座上，所述支撑座安装在所述机壳上；所述底盘将所述剪切室分隔成上、下两部分，剪切室上部分颗粒只受外圆筒内侧壁面剪切作用而发生流动；还设有定位装置，包括定位板、压杆和导向筒，所述定位板为半圆板，所述定位板的外圆弧和内圆弧直径分别与外圆筒和内圆筒相同，所述定位板上设有多个不同径向距离的通孔，所述通孔直径与空心铁球直径相同，所述导向筒安装在所述通孔处，所述压杆插入所述导向筒将空心铁球压入所述外圆筒内的颗粒介质中。
2.根据权利要求1所述的颗粒环形库埃特剪切流实验装置，其特征在于，所述变频电动机通过变频器控制转速，所述变频器安装在所述机壳上。
3.根据权利要求1所述的颗粒环形库埃特剪切流实验装置，其特征在于，所述外圆筒、内圆筒、横梁均采用透明材料制作，以便于观察颗粒运动状态。
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