CN108918361B - 推移质沉积模拟试验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种推移质沉积模拟试验装置和方法，将用于模拟推移质的吸水珠加入试验水槽中平行的两块玻璃板之间，并采用动力装置控制两块平行玻璃板左右摆动，使吸水珠随玻璃板的摆动而运动，模拟推移质沉积过程中的受力环境，因为玻璃板的摆动时间不受限制，所以推移质受剪应力影响进行运动的时间也不受限制，进而突破了推移质沉积规律研究的时间尺度的限制，更好地模拟了推移质的沉积过程，试验数据更准确，利于研究流体速度场对推移质沉积规律的影响。
Description
技术领域
本发明涉及推移质研究领域，尤其涉及一种山区水库库底推移质沉积模拟试验装置和方法。
背景技术
推移质研究主要是为了认识水流中的推移质运动规律、河床演变规律，进而解决水利工程中的推移质问题。研究推移质在流体中的冲刷、悬浮、输移和沉积规律，是水利学科的理论基础之一，推移质在水体中的沉降速度是研究挟沙水流运动特性的基础。
山区水库的特点在于：河流携带的大颗粒推移质较多，在河流汇入水库后，水流流速减缓，输沙能力降低，其携带的大颗粒推移质部分或全部的在水库库底沉积。在自然界的观察中发现，推移质的沉积中出现小颗粒推移质沉积到更底层，大颗粒推移质相对位置靠上的特点，而流体速度场对推移质沉积规律的影响却不清楚，因此寻求一种研究不同粒径推移质沉积规律试验装置和方法，尤其是一种山区水库库底推移质沉积规律模拟试验装置和方法，以通过物理试验研究其背后的理论特性是十分必要的。
当前推移质运动领域的物理试验，一般是来通过室内长水槽实现的，而受室内空间大小的限制，无法建立无限长的水槽，推移质在水槽首端进入水槽后，在很短的时间内就被流水携带到水槽尾端，因此推移质沉积规律研究的时间尺度受限就成为了试验设计中的首要问题。第二个问题是，常规用于研究推移质运动规律的试验往往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。
因为，推移质的运动过程主要受剪应力的影响，根据推移质沉积过程中特殊的受力特性，由外力带动推移质运动就可以模拟推移质沉积过程中的受力环境。通过简化推移质的受力环境来研究不同粒径推移质纵向沉积特性，一定程度上可以简化理论研究的难度。因此，提供一种简化常规的水槽设计的试验装置来为理论研究提供依托，是科研人员和工程技术人员努力追求的方向，也是对推移质沉积规律进一步深入研究的必要条件。
发明内容
本发明实施例提供了一种推移质沉积模拟试验装置和方法，解决无法建立无限长的水槽导致推移质沉积规律研究的时间尺度受限的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种推移质沉积模拟试验装置，包括：试验水槽、动力装置以及测量装置；
试验水槽中设置有两块玻璃板以及位于两块玻璃板之间的若干吸水珠及示踪粒子；玻璃板与试验水槽的底部始终接触，并且玻璃板长度等于试验水槽的宽度；
动力装置连接两块玻璃板，可带动两块玻璃板同步摆动，两块玻璃板在摆动过程中始终相互平行；
测量装置包括：
激光粒子成像装置，用于获取吸水珠及示踪粒子的位移图像；
PC，连接激光粒子成像装置，接收位移图像，并根据位移图像计算吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场。
一实施例中，激光粒子成像装置包括：激光器、光学转换装置以及高速相机；
激光器设置于试验水槽的侧面，用于向试验水槽发射激光束；
光学转换装置设置于激光器与试验水槽之间，用于将激光束转换成片光，以照射吸水珠和示踪粒子；
高速相机位于试验水槽的正面或背面，用于拍摄位移图像，高速相机连接PC机。
一实施例中，高速相机的镜头上设有滤镜。
一实施例中，光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向凹透镜、横向凹透镜以及三角透镜；
纵向凹透镜用于对激光光束纵向聚焦；
横向凹透镜用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦；
三角透镜用于对横向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到片光。
一实施例中，动力装置包括：驱动装置以及与其连接的两个连接轴，每一连接轴分别连接其中一个玻璃板。
一实施例中，驱动装置包括：固定支架、两个驱动齿轮、两个无动力齿轮、动力齿轮、内外侧均带齿的传送带以及电机；
电机连接动力齿轮，两个无动力齿轮与动力齿轮均固定于固定支架上，共同带动传送带传动；
两个驱动齿轮分别连接其中一个连接轴，并与传送带的齿相啮合以驱动连接轴，带动玻璃板摆动。
一实施例中，推移质沉积模拟试验装置还包括：角度测量器，角度测量器与动力齿轮传动连接，用于测量玻璃板的倾斜角度。
一实施例中，动力装置设置于试验水槽的下方，试验水槽的底部设置有孔，连接轴穿过孔之后与对应的玻璃板连接，孔与连接轴的连接部位采用硅胶密封。
一实施例中，推移质沉积模拟试验装置还包括：至少两个遮光板，遮光板可拆卸地设置于试验水槽的顶部和侧面。
本发明还提供一种推移质沉积模拟试验方法，包括：
将不同粒径的吸水珠在水中浸泡设定时间，使其充分吸水膨胀；
将示踪粒子及浸泡后的吸水珠按预定比例置于试验水槽中两块平行的玻璃板之间；
将试验水槽中注入清水，使水面至少淹没吸水珠顶部；
通过动力装置带动两块玻璃板同步摆动；
通过激光器产生激光束；
光学转换装置将激光束转换成片光后照射吸水珠及示踪粒子；
采用高速相机于试验水槽前或后侧按预定拍摄频率拍摄吸水珠及示踪粒子的位移图像，并传输至PC；
PC利用图像处理技术，对接收的位移图像进行互相关分析，计算吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场。
本发明提供了一种推移质沉积模拟试验装置和方法，使用与水折射率相同的吸水珠模拟不同粒径的推移质，加入试验水槽中平行的两块玻璃板之间，并采用动力装置控制两块平行玻璃板左右摆动，使吸水珠随玻璃板的摆动而运动，相当于利用两块平行玻璃板摆动对吸水珠施加剪应力，来模拟推移质沉积过程中的受力环境，因为玻璃板的摆动时间不受限制，可以设定为任意时间，所以推移质受剪应力影响进行运动的时间也不受限制，进而突破了推移质沉积规律研究的时间尺度的限制，更好地模拟了推移质的沉积过程，试验数据更准确，利于研究流体速度场对推移质沉积规律的影响。并且，本发明通过试验水槽中的两个摆动的玻璃板在长时间尺度上模拟推移质所受剪应力环境，与常规试验时采用的长水槽相比，减小了试验水槽的长度，进而减小了试验装置的占用空间。
另外，本发明通过在试验水槽中加入示踪粒子，利用粒子成像测速(PIV)技术，用激光束转换成的片光照射示踪粒子和吸水珠，配合高速相机按预定拍摄规律拍摄一组示踪粒子和吸水珠的位移图像，然后，对一组位移图像进行互相关分析，得出示踪粒子和吸水珠的位移规律，结合拍摄的时间间隔，计算出示踪粒子的移动速度以及推移质的位移特征，由此，利于准确研究流体速度场对推移质沉积规律的影响。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置中的测量装置的俯视图；
图3A为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置中的测量装置的激光光路的正视图；
图3B为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置中的测量装置的激光光路的俯视图；
图4为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置的动力装置的正视图；
图5为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置的动力装置的侧视图；
图6为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置的动力装置中传送带与驱动齿轮配合图；
图7为本发明实施例一种推移质沉积模拟试验方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
当前推移质运动领域的物理试验受室内空间大小的限制，无法建立无限长的水槽，推移质沉积规律研究的时间尺度受限，并且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。本发明通过控制试验水槽中平行的两块玻璃板摆动，对两块玻璃板之间的吸水珠施加剪应力，模拟推移质沉积过程中的受力环境，突破了推移质沉积规律研究的时间尺度的限制，使得试验数据更准确，利于研究流体速度场对推移质沉积规律的影响。
图1为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置实施例的示意图。如图1所示，该推移质沉积模拟试验装置包括：试验水槽1、动力装置31以及测量装置(图中未示出)。
试验水槽1中设置有玻璃板2A、玻璃板2B以及位于玻璃板2A、玻璃板2B之间的若干吸水珠12及示踪粒子30；玻璃板2A、玻璃板2B与试验水槽1的底部始终接触，并且玻璃板2A、玻璃板2B的长度均等于试验水槽1的宽度。
动力装置31连接玻璃板2A、玻璃板2B，可带动玻璃板2A、玻璃板2B同步摆动，玻璃板2A、玻璃板2B在摆动过程中始终保持相互平行。
测量装置包括：激光粒子成像装置及PC。
其中，激光粒子成像装置，用于获取吸水珠及示踪粒子的位移图像；
PC，连接激光粒子成像装置，接收位移图像，并根据位移图像计算吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场。
可选地，该试验水槽是进行推移质沉积模拟试验的主要设备，可采用透明水槽实现，该透明水槽的宽度可为20cm～40cm，长度可为100cm～150cm，高度可为30cm～50cm，壁厚可为1cm～2cm。
举例来说，该透明水槽的宽度为20cm、长度为120cm、高度为40cm、壁厚为2cm。
可选地，两块玻璃板为透明玻璃板，长度均等于试验水槽的宽度，高度均等于试验水槽的高度，玻璃板宽度可为20cm～40cm，高度可为30cm～50cm。
举例来说，该玻璃板的宽度为20cm、高度为40cm。
可选地，吸水珠12可为透明吸水珠，并且，该吸水珠是一种高吸水性载体，能够吸收自身重量100倍以上的水并可长期使用，其吸水膨胀后的折射率与水的折射率相同，因此可用于粒子成像测试，本发明实施例选取吸水后粒径为0.5cm～4cm的至少两至三种吸水珠，以模拟不同粒径的推移质。
可选地，示踪粒子30可以选用由Rhotamine B染色的20um的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃)示踪粒子，也可选用空心微珠或者金属氧化物颗粒、荧光示踪粒子(FLUOSTAR)等。
进行模拟试验时，可以包括如下步骤：
首先，将充分吸水膨胀不同粒径的吸水珠和示踪粒子置于试验水槽中两块平行的玻璃板之间，并将试验水槽中注入清水，使水面至少淹没吸水珠顶部；
然后，通过动力装置带动两块玻璃板左右摆动，使吸水珠随玻璃板的摆动而运动，示踪粒子随着水流运动而运动。也就是说，相当于利用两块平行玻璃板摆动对吸水珠、示踪粒子以及试验槽中的水施加剪应力，来模拟推移质沉积过程中的受力环境。因为玻璃板的摆动时间不受限制，可以设定为任意时间，所以推移质受剪应力影响而运动的时间也不受限制，进而突破了推移质沉积规律研究的时间尺度的限制，更好地模拟了推移质的沉积过程，试验数据更准确，利于研究流体速度场对推移质沉积规律的影响。
最后，利用测量装置进行粒子成像测速(Particle Image Velocimetry，PIV)。PIV是一种非介入的测速方法，不扰乱流场，原理为：示踪粒子流经特定平面时被连续照亮两次，对两次的图像进行互相关分析，得到流体的速度场。其中，流体的二维速度矢量等于粒子位移除以两次图像的时间间隔，采用该成像测速方式有利于减小测量误差。
具体地，测量装置先利用激光粒子成像装置按照预设时间间隔获取一组位移图像，该位移图像为两块玻璃板之间区域中吸水珠及示踪粒子的位移图像；然后利用PC接收该组位移图像，利用图像处理技术进行互相关分析，得出示踪粒子和吸水珠的位移规律，结合拍摄的时间间隔，计算示踪粒子的移动速度以及推移质的位移特征，由此，利于准确研究流体速度场对推移质沉积规律的影响。
图2为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置的测量装置的俯视图。如图2所示，测量装置包括：激光粒子成像装置以及PC15。
该激光粒子成像装置包括：激光器16、光学转换装置以及高速相机13。
激光器16设置于试验水槽1的侧面，用于向试验水槽1的侧面发射激光束。
光学转换装置设置于激光器16与试验水槽1之间，用于将激光束20转换成片光，以照射吸水珠12和示踪粒子30。
高速相机13位于试验水槽1的正面，用于拍摄位移图像，高速相机13通过数据线14连接PC机15。
其中，高速相机也可位于试验水槽的背面，并且，高速相机可采用最高拍摄频率为400fps的彩色相机，其拍摄区域为两个透明玻璃板之间装有吸水珠的区域。并且，高速相机的镜头上可设有滤镜，该滤镜可为橙色滤镜。
另外，激光器16可以发出不同颜色激光，比如绿色激光，激光器16的功率为4KW～10KW，例如，该激光器的功率为4KW；激光器16置于透明水槽1未安置遮光板22的侧面。
可选地，该光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向凹透镜17、横向凹透镜18以及三角透镜19。
纵向凹透镜17用于对激光光束纵向聚焦。
横向凹透镜18用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦。
三角透镜19用于对横向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到片光。
纵向凹透镜17焦距可为30mm～50mm，横向凹透镜18焦距可为150mm～200mm，三角透镜19扩散角度为30度。
举例来说，纵向凹透镜17焦距为30mm，横向凹透镜18焦距为200mm。
可选地，推移质沉积模拟试验装置还包括：至少两个遮光板22，遮光板22可拆卸地设置于试验水槽1的顶部和侧面。
其中，两块遮光板可选用黑色遮光板，用于防止激光束的外溢；其中一块遮光板与试验水槽顶面大小相同，宽度可为20cm～40cm、长度可为100cm～150cm，举例来说，该遮光板的宽度为20cm，长度为120cm；另一块遮光板与试验水槽侧面大小相同，宽度可为20cm～40cm，高度可为30cm～50cm，举例来说，该遮光板的宽度为20cm，高度为40cm。
图3A为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置中的测量装置的激光光路的正视图；如图3A所示，激光器16发射激光束，纵向凹透镜17用于对激光光束纵向聚焦，横向凹透镜18用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦，三角透镜19用于对横向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到激光纵向照射范围。图3A中，21为高速相机的拍摄区域。
图3B为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置中的测量装置的激光光路的俯视图；如图3B所示，俯视方向看，激光器16发射激光束，纵向凹透镜17用于对激光光束纵向聚焦，横向凹透镜18用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦，经过三角透镜19后，汇聚到横向聚焦点，使该横向聚焦点与拍摄范围中心重合。
图4为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置的动力装置的正视图。如图4所示，该动力装置用于为推移质沉积模拟试验装置提供可自动运转的动力，包括：驱动装置以及与其连接的连接轴10A、连接轴10B，连接轴10A连接玻璃板2A，连接轴10B连接玻璃板2B。
可选地，驱动装置包括：固定支架、驱动齿轮9A、驱动齿轮9B、无动力齿轮5A、无动力齿轮5B、动力齿轮4、内外侧均带齿的传送带8以及电机；
电机连接动力齿轮4，无动力齿轮5A、无动力齿轮5B与动力齿轮4均固定于固定支架上，共同带动传送带8传动；
驱动齿轮9A连接连接轴10A，驱动齿轮9B连接连接轴10B，驱动齿轮9A、驱动齿轮9B均与传送带8的齿相啮合，驱动齿轮9A驱动连接轴10A，带动玻璃板2A摆动；驱动齿轮9B驱动连接轴10B，带动玻璃板2B摆动。
其中，连接轴10A、连接轴10B均可使用布氏硬度的不锈钢管，长度可为30cm～50cm，内径可为6mm～13mm，壁厚可为1mm～1.5mm，举例来说，连接轴10A、连接轴10B的长度均为30cm，内径均为8mm，壁厚均为1mm。
其中，驱动齿轮9A、驱动齿轮9B的尺寸相同，直径可为5cm～10cm，宽度可为4cm～8cm，驱动齿轮9A、驱动齿轮9B均可包括17～30个齿23，齿面粗糙度可为1.2～1.8，举例来说，驱动齿轮9A、驱动齿轮9B的直径为6cm，宽度为8cm，包括17个齿，齿面粗糙度为1.2。
无动力齿轮5A、无动力齿轮5B平行放置且尺寸相同，直径可为10cm～20cm，宽度可为4cm～8cm，每个无动力齿轮均可包括35～60个齿，齿面粗糙度可为1.2～1.8，举例来说，无动力齿轮的直径为12cm，宽度为8cm，每个无动力齿轮包括35个齿，齿面粗糙度1.2。
动力齿轮4连接电机，电源线11接通电源后，电机带动动力齿轮4顺时针、逆时针往复转动，动力齿轮4与无动力齿轮5A、无动力齿轮5B的尺寸相同，置于无动力齿轮5A、无动力齿轮5B下侧，直径可为10cm～20cm，宽度可为4cm～8cm，动力齿轮4可包括35～60个齿23，齿面粗糙度可为1.2～1.8，举例来说，动力齿轮4的直径为12cm，宽度为8cm，动力齿轮4包括35个齿，齿面粗糙度1.2。
可选地，传送带8套在无动力齿轮5A、无动力齿轮5B和动力齿轮4的外侧，宽度可为4cm～8cm，其内侧齿与无动力齿轮5A、无动力齿轮5B和动力齿轮4的齿啮合，外侧齿与驱动齿轮9A、驱动齿轮9B的齿啮合。
可选地，推移质沉积模拟试验装置还包括：角度测量器7，角度测量器7与动力齿轮4传动连接，用于测量玻璃板2A、玻璃板2B的倾斜角度。
其中，角度测量器7通过细杆6与动力齿轮4轴心连接，根据动力齿轮4的转动角度，显示玻璃板2A、玻璃板2B的倾斜角度。
细杆6使用布氏硬度的不锈钢管，长度可为20cm～40cm，内径可为6mm～13mm，壁厚可为1mm～1.5mm，举例来说，该细杆6的长度为20cm，内径6mm，壁厚1mm。
可选地，推移质沉积模拟试验装置还包括：容纳箱3，用于容纳动力装置，该容纳箱3的长度与试验水槽1的长度相同，容纳箱3的宽度与试验水槽1的宽度相同，容纳箱3的长度可为100cm～150cm，宽度可为20cm～40cm，高度可为80cm～150cm，举例来说，该容纳箱的长度为120cm，宽度为20cm，高度为100cm。
可选地，动力装置设置于试验水槽的下方，试验水槽1的底部设置有两个孔，连接轴10A穿过其中一个孔之后与玻璃板2A连接，连接轴10B穿过另一个孔之后与玻璃板2B连接，孔与连接轴的连接部位均采用硅胶密封。
其中，图4仅为动力装置的一种示意图，该动力装置可以设置在试验水槽的下方，也可以设置在试验水槽的上方，当设置于试验水槽的上方时，连接轴10A和10B直接连接玻璃板2A、2B的上部即可。
图5为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置的动力装置的侧视图。如图5所示，无动力齿轮5A、无动力齿轮5B和动力齿轮4轴心均固定于固定支架25上；该固定支架25高度可为50cm～100cm，采用铝合金材质制作而成，举例来说，该固定支架高度为70cm。
图6为本发明实施例推移质沉积模拟试验装置的动力装置中传送带与驱动齿轮配合图。图6显示了图4中所示A部位的细节，驱动齿轮9A连接连接轴10A，并与传送带8的外侧齿24相啮合以驱动连接轴10A，进而带动玻璃板2A摆动。
图7为本发明实施例一种推移质沉积模拟试验方法的流程图。如图7所示，该推移质沉积模拟试验方法，包括：
步骤S100：将不同粒径的吸水珠在水中浸泡设定时间，使其充分吸水膨胀。
可选地，选取2-3种粒径的干燥的吸水珠若干，分别在水中浸泡至少4小时，使其充分吸水膨胀，其中，该吸水珠可为透明吸水珠。
步骤S200：将示踪粒子及浸泡后的吸水珠按预定比例置于试验水槽中两块平行的玻璃板之间。
可选地，示踪粒子采用由Rhotamine B染色的20um的PMMA示踪粒子，该粒子与水体密度相同，可充分混合并悬浮于水中，并且该示踪粒子的投入量为1g～3g。
步骤S300：将试验水槽中注入清水，使水面至少淹没吸水珠顶部。
步骤S400：通过动力装置带动两块玻璃板同步摆动。
其中，通过电源线11接通电源后，电机带动动力齿轮4顺时针、逆时针往复转动，根据角度测量器7显示的玻璃板最大倾斜角度调整动力齿轮4的运转功率，动力齿轮4带动传送带运转，进而带动驱动齿轮顺时针、逆时针往复转动，驱动齿轮通过连接轴带动两块玻璃板左右摆动。
步骤S500：通过激光器产生激光束。
其中，该激光器可以设置在试验水槽的侧面，可以发出氦-氖激光束、铜蒸汽激光束、氩粒子激光束、半导体激光束等。
步骤S600：光学转换装置将激光束转换成片光后照射吸水珠及示踪粒子。
其中，该光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向凹透镜17、横向凹透镜18以及三角透镜19。
纵向凹透镜17用于对激光光束纵向聚焦。
横向凹透镜18用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦。
三角透镜19用于对横向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到片光。
纵向凹透镜17焦距30mm～50mm，横向凹透镜18焦距150mm～200mm，三角透镜19扩散角度为30度。
举例来说，纵向凹透镜17焦距30mm，横向凹透镜18焦距200mm。
试验时，调整三个透镜的位置，使激光束刚好经过三个透镜，片光的横向聚焦点位于玻璃板2A、玻璃板2B之间，纵向照射范围可覆盖整个吸水珠12区域。
步骤S700：采用高速相机于试验水槽前或后侧按预定拍摄频率拍摄吸水珠及示踪粒子的位移图像。
另外，高速相机镜头垂直于激光照射面，调整高速相机13支架高度及角度使其拍摄范围包括激光面照射到的吸水珠范围。在试验水槽1没有激光器的一侧安装遮光板22，在试验水槽1顶部安装遮光板22。
根据实验需求，通过PC机15调整高速相机13的拍摄频率，并为相机13拍摄定时。
步骤S800：PC利用图像处理技术，对接收的位移图像进行互相关分析，计算吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场。
上述方法中，示踪粒子可以在试验水槽注水前与浸泡后的吸水珠一起加入试验水槽中两块平行的玻璃板之间，也可以在试验水槽注水后加入试验水槽中两块平行的玻璃板之间。
另外，该试验方法还包括：
在开始试验之前，关闭实验室内灯光并避免自然光照入，以及，试验结束后，保存拍摄的位移图像，关闭激光器16、高速相机13和动力齿轮4，并清理试验水槽。
下面示例性说明采用上述推移质沉积模拟试验装置进行标准粒径推移质沉积过程中缝隙内水体速度场测试的步骤，整个测试包括四组试验，第一组试验包括如下步骤：
选取若干干燥的吸水珠12，分别在水中浸泡至少4小时，使其充分吸水膨胀，吸水后粒径1cm。
在试验水槽1中注入清水，水平面至少淹没吸水珠12顶部。
在清水中加入1g～3g由Rhotamine B染色的20um的PMMA示踪粒子。
通过动力装置带动两块玻璃板同步摆动，具体为利用电机带动动力齿轮顺时针、逆时针往复转动，根据角度测量器7显示的玻璃板最大倾斜角度调整齿轮运转功率，改组最大倾斜角度为15度。
打开激光器16和高速相机13，关闭实验室内灯光并避免自然光照入。
激光器发射的激光束通过纵向凹透镜17、横向凹透镜18、三角透镜19使得光束横向聚焦点位于玻璃板2A、玻璃板2B之间，纵向照射范围覆盖整个吸水珠12区域，以照射吸水珠及示踪粒子。
根据实验需求，通过PC机15调整高速相机13的拍摄频率，并为相机拍摄定时，利用高速相机于试验水槽前或后侧按预定拍摄频率拍摄吸水珠及示踪粒子的位移图像。
PC利用图像处理技术，对接收的位移图像进行互相关分析，计算吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场。
试验结束后，保存拍摄的位移图像，关闭激光器16、高速相机13和动力齿轮4，并清理试验水槽1。
第二组至第四组试验：玻璃板的最大倾斜角度分别为5度、10度、20度，其他同第一组试验。
通过四组试验得到玻璃板最大倾斜角度不同时流体速度场对推移质沉积规律的影响。
下面示例性说明采用上述推移质沉积模拟试验装置进行两种粒径的推移质沉积过程中的相对位移变化试验模拟的步骤，该试验共包括五组试验，第一组试验包括如下步骤：
选取2种粒径的干燥的吸水珠12若干，分别在水中浸泡至少4小时，使其充分吸水膨胀，吸水后粒径分别为1cm和3cm。
将两种粒径的吸水后的吸水珠12按照1:1的比例置于试验槽两块玻璃板之间。
在试验水槽1中注入清水，水平面至少淹没吸水珠12顶部。
在清水中加入1g～3g由Rhotamine B染色的20um的PMMA示踪粒子。
通过动力装置带动两块玻璃板同步摆动，具体为利用电机带动动力齿轮顺时针、逆时针往复转动，根据角度测量器7显示的玻璃板最大倾斜角度调整齿轮运转功率，改组最大倾斜角度为15度。
打开激光器16和高速相机13，关闭实验室内灯光并避免自然光照入。
激光器发射的激光束通过纵向凹透镜17、横向凹透镜18、三角透镜19使得光束横向聚焦点位于玻璃板2A、玻璃板2B之间，纵向照射范围覆盖整个吸水珠12区域，以照射吸水珠及示踪粒子。
根据实验需求，通过PC机15调整高速相机13的拍摄频率，并为相机拍摄定时，利用高速相机于试验水槽前或后侧按预定拍摄频率拍摄吸水珠及示踪粒子的位移图像。
PC利用图像处理技术，对接收的位移图像进行互相关分析，计算吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场。
试验结束后，保存拍摄的位移图像，关闭激光器16、高速相机13和动力齿轮4，并清理试验水槽1。
第二组至第五组试验：将两种粒径的吸水后的吸水珠分别按照1:2、1:4、4：1、2:1的比例置于试验水槽两块玻璃板之间，其他同第一组试验。
通过上述试验，有效得到了流体速度场对不同粒径推移质沉积过程的影响，实现了在长时间尺度上的推移质沉积模拟试验。
综上所述，本发明提供了一种推移质沉积模拟试验装置和方法，使用与水折射率相同的吸水珠模拟不同粒径的推移质，加入试验水槽中平行的两块玻璃板之间，并采用动力装置控制两块平行玻璃板左右摆动，使吸水珠随玻璃板的摆动而运动，相当于利用两块平行玻璃板摆动对吸水珠施加剪应力，来模拟推移质沉积过程中的受力环境，因为玻璃板的摆动时间不受限制，可以设定为任意时间，所以推移质受剪应力影响进行运动的时间也不受限制，进而突破了推移质沉积规律研究的时间尺度的限制，更好地模拟了推移质的沉积过程，试验数据更准确，利于研究流体速度场对推移质沉积规律的影响。并且，本发明通过试验水槽中的两个摆动的玻璃板在长时间尺度上模拟推移质所受剪应力环境，与常规试验时采用的长水槽相比，减小了试验水槽的长度，进而减小了试验装置的占用空间。
另外，本发明通过在试验水槽中加入示踪粒子，利用粒子成像测速(PIV)技术，用激光束转换成的片光照射示踪粒子和吸水珠，配合高速相机按预定拍摄规律拍摄一组示踪粒子和吸水珠的位移图像，然后，对一组位移图像进行互相关分析，得出示踪粒子和吸水珠的位移规律，结合拍摄的时间间隔，计算出示踪粒子的移动速度以及推移质的位移特征，由此，利于准确研究流体速度场对推移质沉积规律的影响。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，包括：试验水槽、动力装置以及测量装置；
所述试验水槽中设置有两块玻璃板以及位于两块所述玻璃板之间的若干吸水珠及示踪粒子；所述玻璃板与所述试验水槽的底部始终接触，并且所述玻璃板长度等于所述试验水槽的宽度；
所述动力装置连接两块所述玻璃板，可带动两块所述玻璃板同步摆动，两块所述玻璃板在摆动过程中始终相互平行；
所述测量装置包括：
激光粒子成像装置，用于获取所述吸水珠及示踪粒子的位移图像；
PC机，连接所述激光粒子成像装置，接收所述位移图像，并根据所述位移图像计算所述吸水珠缝隙的水速度场及所述吸水珠的位移场。
2.根据权利要求1所述推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，所述激光粒子成像装置包括：激光器、光学转换装置以及高速相机；
所述激光器设置于所述试验水槽的侧面，用于向所述试验水槽发射激光束；
所述光学转换装置设置于所述激光器与所述试验水槽之间，用于将所述激光束转换成片光，以照射所述吸水珠和所述示踪粒子；
所述高速相机位于试验水槽的正面或背面，用于拍摄所述位移图像，所述高速相机连接所述PC机。
3.根据权利要求2所述推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，所述高速相机的镜头上设有滤镜。
4.根据权利要求2所述推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，所述光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向凹透镜、横向凹透镜以及三角透镜；
所述纵向凹透镜用于对激光光束纵向聚焦；
所述横向凹透镜用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦；
所述三角透镜用于对横向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到所述片光。
5.根据权利要求1所述推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，所述动力装置包括：驱动装置以及与其连接的两个连接轴，每一所述连接轴分别连接其中一个所述玻璃板。
6.根据权利要求5所述推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，所述驱动装置包括：固定支架、两个驱动齿轮、两个无动力齿轮、动力齿轮、内外侧均带齿的传送带以及电机；
所述电机连接所述动力齿轮，两个所述无动力齿轮与所述动力齿轮均固定于所述固定支架上，共同带动所述传送带传动；
两个所述驱动齿轮分别连接其中一个所述连接轴，并与所述传送带的齿相啮合以驱动所述连接轴，带动所述玻璃板摆动。
7.根据权利要求6所述推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，还包括：角度测量器，所述角度测量器与所述动力齿轮传动连接，用于测量所述玻璃板的倾斜角度。
8.根据权利要求5所述推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，所述动力装置设置于所述试验水槽的下方，所述试验水槽的底部设置有孔，所述连接轴穿过所述孔之后与对应的所述玻璃板连接，所述孔与所述连接轴的连接部位采用硅胶密封。
9.根据权利要求1所述推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，还包括：至少两个遮光板，所述遮光板可拆卸地设置于所述试验水槽的顶部和侧面。
10.一种推移质沉积模拟试验方法，采用根据权利要求2-4任一项所述的推移质沉积模拟试验装置，其特征在于，包括：
将不同粒径的吸水珠在水中浸泡设定时间，使其充分吸水膨胀；
将示踪粒子及浸泡后的所述吸水珠按预定比例置于试验水槽中两块平行的玻璃板之间；
将所述试验水槽中注入清水，使水面至少淹没所述吸水珠顶部；
通过动力装置带动两块所述玻璃板同步摆动；
通过激光器产生激光束；
光学转换装置将所述激光束转换成片光后照射所述吸水珠及所述示踪粒子；
采用高速相机于所述试验水槽前或后侧按预定拍摄频率拍摄所述吸水珠及所述示踪粒子的位移图像，并传输至PC机；
PC机利用图像处理技术，对接收的所述位移图像进行互相关分析，计算所述吸水珠缝隙的水速度场及所述吸水珠的位移场。
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