CN109506883A - 一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法。模拟实验腔内初始时刻充满较重流体，通过第一流体注入装置向实验腔内注入染色较轻流体，并利用流场‑浓度场监测系统进行实时观测和数据传输；经过混合的染色流体最终停留在实验腔顶部。单次实验之后，向实验腔底部逐渐注入较重流体，直至实验腔顶部的混合染色流体全部经溢流管流入溢流箱，此时模拟实验腔内的流体回归到初始状态，并可以进行下一次实验。该发明可以利用超重力环境进行异重流体对流的相似模拟实验，大幅度提高模拟实验的相似性，并且可以在一次离心旋转周期内进行多参数组合实验，实验速度快，成本低，监测密度高、精度高、范围大。

Description

一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法

技术领域

本发明属于流体流场模拟领域，尤其涉及一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法。

背景技术

对于大尺度的异重流体对流现象，当前多通过数值模拟的方法进行模拟和预测。由于异重流体的对流多同时涉及粘性力和重力，故需要同时满足雷诺相似准则和弗洛德相似准则，而实验室内尺度的模拟实验，受1g重力不可变的限制，多不具备较好的相似性，无法直接用于指导现场流体规律。

近年来，超重力离心机的应用，使得重力在试验中成为一个可调节的变量，基于超重力离心机的土工实验逐渐得到了广泛应用。国内外相关研究中，亦有少量涉及流体的实验(包括渗流实验、土石坝管泳溃坝实验、近海结构稳定实验)，但其中流体的角色多作为一种边界条件，研究人员更关注在水的作用下，土、石、结构的变形应力特性，所设计的土工试验思路多为水作用于土。对于流体本身的流动规律则基本上没有相关研究。

实际上，纯流体的流动规律也是非常有意义的，本发明即是结合超重力离心机的重力可变的特性，提供一种可以大幅度提高流体缩尺实验相似性的实验思路和装置，为人类更好的认识大尺度流体规律提供研究方法和思路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法，利用离心机产生的超重力环境，可以保证流体缩尺模拟实验的相似性，结构简单，使用方便，且流场-浓度场监测密度高、精度高、范围大。

本发明的技术方案原理如下：

流体缩尺模拟实验的相似准则有：

1)弗洛德相似准则，即需保证模拟实验与原型实验的弗洛德数相同：

其中，Fr为弗洛德数，v为速度，g为重力速度，l为特征尺度，下标m和p分别代表模型和原型。

2)雷诺相似准则，即需保证模拟实验与原型实验的雷诺数相同：

其中，Re为雷诺数，ρ为密度，为流体粘度，下标m和p分别代表模型和原型。

在常规N倍缩尺试验中，

若需保证弗洛德数相似，将(3)(4)式代入(1)式，可得

为了同时满足雷诺相似准则，将(4)(5)代入(2)式，可得

而对于具体的实验，往往流动性质之外还具有其他性质，故一般要求流动介质尽量采用原介质。

同时相似所需满足的式(6)与实际情况式(7)矛盾，故常重力下无法同时满足弗洛德相似准则和雷诺相似准则。但利用离心机产生的超重力环境，

则将(8)(4)代入(1)式得

将(4)(7)(9)代入(2)式，得

M＝N³ (10)

即在重力值为N³的超重力环境下，可以实现N倍缩尺流体模拟实验的完全相似(弗洛德相似准则(1)和雷诺相似准则(2)同时满足)。

本发明提出的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，包括控制中枢、离心机、第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔、溢流箱和流场-浓度场监测系统；所述第一流体的密度小于第二流体；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔、溢流箱和流场-浓度场监测系统均置于离心机上；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、溢流箱均通过各自的管路与模拟实验腔连通；所述控制中枢控制第一流体注入装置、第二流体注入装置的注入行为，包括开闭时间及注入流量；所述流场-浓度场监测系统用于实时采集模拟实验腔中流场变化图像，并传输给控制中枢分析流场和浓度场。

进一步地，所述离心机采用臂式土工离心机，离心机的对侧吊篮上设置配重块，配重块采用铁块或者铅块，用于维持离心机两侧的质量平衡。

进一步地，所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔、溢流箱和流场-浓度场监测系统均置于底板上，底板安装在离心机上。

进一步地，所述模拟实验腔上设置第一流体注入管、第二流体注入管和溢流管；所述第一流体注入管为可更换的不锈钢射流管，与第一流体注入装置连接，用于向模拟实验腔内注入第一流体，通过更换射流管，调整射流实验的射流管口尺寸参数；所述第二流体注入管置于模拟实验腔的底部，与第二流体注入装置连接，用于向模拟实验腔内注入第二流体；所述溢流管置于模拟实验腔的顶部附近，与溢流箱连接，用于排出模拟实验腔内高于溢流管的流体，以保证模拟实验腔的液面稳定。

进一步地，所述第一流体注入装置包括第一流体储存箱、步进电机、螺旋推杆、活塞筒、固定支架、三通转接头、第一单向阀和第二单向阀；所述步进电机和活塞筒通过固定支架固定在底板上，所述步进电机与活塞筒通过螺旋推杆相连，所述螺旋推杆的行进方向平行于离心机产生的超重力方向，以利用离心机运转产生的超重力场降低螺旋推杆的推力需求，所述活塞筒与三通转接头的第一接头通过管路连通，三通转接头的第二接头通过管路连通第一流体储存箱，在管路设有第一单向阀，第一流体可以从第一流体储存箱流向活塞筒，三通转接头的第三接头通过管路连通模拟实验腔，在管路上设有第二单向阀，第一流体可以从活塞筒流向模拟实验腔；所述步进电机通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的转速、转数及转动方向指令，以精准控制螺旋推杆的行进速度和距离，可以定量实现活塞筒抽拉补充第一流体及向模拟实验腔推进第一流体。

进一步地，所述第二流体注入装置包括第二流体储存箱；所述第二流体储存箱与模拟实验腔连通的管路上设置蠕动泵，在蠕动泵的作用下将第二流体注入模拟实验腔；或者，所述第二流体储存箱与模拟实验腔连通的管路上设置电磁阀，且第二流体储存箱的水位高于模拟实验腔，在重力作用与电磁阀的配合下将第二流体注入模拟实验腔；所述蠕动泵或电磁阀通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的指令。

进一步地，所述流场-浓度场监测系统通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的指令，在离心机运转产生的超重环境下实时监测模拟实验腔内的流体对流流场和浓度场，并将监测数据回传到控制中枢。

进一步地，所述模拟实验腔为透明长方体模型箱。

进一步地，所述第一流体为染色淡水，所述第二流体为卤水，所述模拟实验腔为模拟盐腔；在实验开始时模拟盐腔内充满浓度均匀的浓卤水，对应实际盐腔内的卤水状态；在离心机旋转过程中，染色淡水注入模拟盐腔，与模拟盐腔内的浓卤水混合，进行超重环境下的流体对流相似模拟实验，可以等比例还原原型盐腔内的淡卤水流体对流状态；在一次对流实验结束后，向模拟盐腔注入浓卤水，排出顶部的混合染色流体，模拟盐腔回归初始状态。

一种利用上述装置进行异重流体的超重力流场模拟实验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：离心机启动，使离心加速度达到N³(N为该次模拟实验的缩尺比例)；

步骤2：通过第二流体注入装置向模拟实验腔内注满第二流体；

步骤3：通过第一流体注入装置向模拟实验腔内注入染色的第一流体，通过流场-浓度场监测系统对第一流体的注入、上浮、与第二流体混合行为进行实时流场-浓度场监测；

步骤4：待流场稳定之后，注入的染色第一流体与第二流体的混合染色流体由于密度比原流体轻，将浮在模拟实验腔顶部；

步骤5：通过第二流体注入装置向模拟实验腔底部注入第二流体，模拟实验腔内液面升高，顶部的混合染色流体经溢流管排出到溢流箱中；

步骤6：待全部混合染色流体排出之后，停止第二流体的注入，一次超重力下异重流体的混合对流模拟实验完成；

步骤7：设置不同的第一流体注入流量、注入管口尺寸和时间，重复步骤3-6，观测不同射流流量、射流管口尺寸和时间下，异重流体在超重力下的对流混合规律。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、利用N³倍超重力环境进行异重流体的混合对流模拟实验，可以同时满足雷诺相似准则和弗洛德相似准则，大大提高了流体模拟实验的相似性。

2、采用透明薄片状长方体模型箱，使得流场简化，监测难度降低，监测精度提高。

3、单次离心试验中，可以通过第二流体注入装置和溢流装置将装置归位，可以在一次离心机运行过程中进行多参数组合的射流混合实验，大大降低实验的时间成本和经济成本。

4、通过视频监测+图像分析的方式解析混合液体浓度，测量速度快、精度高。

附图说明

图1为本发明异重流体的超重力流场模拟实验装置组装示意图；

图2为本发明异重流体的超重力流场模拟实验装置细节示意图；

图中，控制中枢1、离心机2、步进电机3、螺旋推杆4、活塞筒5、固定支架5-1、三通转接头5-2、第一单向阀5-3、第二单向阀5-4、模拟实验腔6、第一流体注入管6-1、溢流管6-2、第二流体注入管6-3、电磁阀6-4、流场-浓度场监测系统7、第二流体储存箱8、第一流体储存箱9、溢流箱10、底板11、水管12、电缆线13、集线转接器14。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例1

如图1、2所示，本实施例提出的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，包括控制中枢1、离心机2、第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔6、溢流箱10和流场-浓度场监测系统7；所述第一流体的密度小于第二流体；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔6、溢流箱10和流场-浓度场监测系统7均置于离心机上；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、溢流箱10均通过各自的管路与模拟实验腔6连通；所述控制中枢1控制第一流体注入装置、第二流体注入装置的注入行为，包括开闭时间及注入流量；所述流场-浓度场监测系统7用于实时采集模拟实验腔6中流场变化图像，并传输给控制中枢1分析流场和浓度场。

进一步地，所述离心机2采用臂式土工离心机，离心机的对侧吊篮上设置配重块15，配重块15采用铁块或者铅块，用于维持离心机2两侧的质量平衡。

进一步地，所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔6、溢流箱10和流场-浓度场监测系统7均置于底板11上，底板11安装在离心机2上。

进一步地，所述模拟实验腔6上设置第一流体注入管6-1、第二流体注入管6-3和溢流管6-2；所述第一流体注入管6-1为可更换的不锈钢射流管，与第一流体注入装置连接，用于向模拟实验腔6内注入第一流体，通过更换射流管，调整射流实验的射流管口尺寸参数；所述第二流体注入管6-3置于模拟实验腔6的底部，与第二流体注入装置连接，用于向模拟实验腔6内注入第二流体；所述溢流管6-2置于模拟实验腔6的顶部附近，与溢流箱10连接，用于排出模拟实验腔6内高于溢流管的流体，以保证模拟实验腔6的液面稳定。

进一步地，所述第一流体注入装置包括第一流体储存箱9、步进电机3、螺旋推杆4、活塞筒5、固定支架5-1、三通转接头5-2、第一单向阀5-3和第二单向阀5-4；所述步进电机3和活塞筒通5过固定支架5-1固定在底板11上，所述步进电机3与活塞筒5通过螺旋推杆4相连，所述螺旋推杆4的行进方向平行于离心机2产生的超重力方向，以利用离心机2运转产生的超重力场降低螺旋推杆4的推力需求，所述活塞筒5与三通转接头5-2的第一接头通过管路连通，三通转接头5-2的第二接头通过管路连通第一流体储存箱9，在管路设有第一单向阀5-3，第一流体可以从第一流体储存箱9流向活塞筒5，三通转接头5-2的第三接头通过管路连通模拟实验腔6，在管路上设有第二单向阀5-4，第一流体可以从活塞筒5流向模拟实验腔6；所述步进电机3通过离心机2的导电滑环与控制中枢1相连，接收来自控制中枢1的转速、转数及转动方向指令，以精准控制螺旋推杆4的行进速度和距离，可以定量实现活塞筒5抽拉补充第一流体及向模拟实验腔6推进第一流体。

进一步地，所述第二流体注入装置包括第二流体储存箱8；所述第二流体储存箱8与模拟实验腔6连通的管路上设置蠕动泵，在蠕动泵的作用下将第二流体注入模拟实验腔6；或者，所述第二流体储存箱与模拟实验腔6连通的管路上设置电磁阀6-4，且第二流体储存箱8的水位高于模拟实验腔6，在重力作用与电磁阀6-4的配合下将第二流体注入模拟实验腔6；所述蠕动泵或电磁阀6-4通过离心机2的导电滑环与控制中枢1相连，接收来自控制中枢1的指令。

进一步地，所述流场-浓度场监测系统7通过离心机2的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢1的指令，在离心机运转产生的超重环境下实时监测模拟实验腔6内的流体对流流场和浓度场，并将监测数据回传到控制中枢1。

进一步地，所述模拟实验腔6可以采用透明长方体模型箱。

一种利用上述装置进行异重流体的超重力流场模拟实验方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：离心机2启动，使离心加速度达到N³(N为该次模拟实验的缩尺比例)；

步骤2：通过第二流体注入装置向模拟实验腔6内注满第二流体；

步骤3：通过第一流体注入装置向模拟实验腔6内注入染色的第一流体，通过流场-浓度场监测系统7对第一流体的注入、上浮、与第二流体混合行为进行实时流场-浓度场监测；

步骤4：待流场稳定之后，注入的染色第一流体与第二流体的混合染色流体由于密度比原流体轻，将浮在模拟实验腔6顶部；

步骤5：通过第二流体注入装置向模拟实验腔6底部注入第二流体，模拟实验腔6内液面升高，顶部的混合染色流体经溢流管排出到溢流箱10中；

步骤6：待全部混合染色流体排出之后，停止第二流体的注入，一次超重力下异重流体的混合对流模拟实验完成；

步骤7：设置不同的第一流体注入流量、注入管口尺寸和时间，重复步骤3-6，观测不同射流流量、射流管口尺寸和时间下，异重流体在超重力下的对流混合规律。

实施例2

以下以盐腔室内水溶造腔过程中淡水-卤水对流模拟实验为例，详细说明本发明的实现过程及有益效果。

当前利用盐岩溶腔进行能源地下储存的应用日渐增多，为保证能源储备的安全，需在建设过程中对盐腔的形态进行控制。盐腔内部的流场分布演化规律是影响盐腔形态发展的关键。由于盐腔深埋地下，且尺寸巨大(百米级)，对于盐腔的复杂对流-溶漓流场没有有效的现场监测手段，对于盐腔内部复杂流场的分布和演化规律，多通过室内实验进行探索。通过室内实验等手段对盐腔内的流体对流进行模拟和观测，是研究流场规律并进一步实现盐腔建设过程模拟的基础。

目前的盐腔流场模拟实验手段多在常重力下进行，常重环境下无法同时满足弗洛德相似准则和雷诺相似准则，实验过程相似性较差，难以反映现场百米级尺寸盐腔的真实流场规律。对于盐腔现场流场规律认识的不足，造成我国造腔技术严重滞后，现场造腔体积小，盐层利用率低，且多发不规则腔体，严重阻碍了我国建设盐岩石油天然气储库的进程。本发明异重流体的流场超重力模拟实验装置应用于盐腔室内水溶造腔过程中淡水-卤水对流模拟实验具有显著的效果，能够解决以上技术问题。

本实施例中，盐腔流场超重力模拟实验装置包括控制中枢1、离心机2、第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔6、溢流箱10和流场-浓度场监测系统7；所述第一流体为染色淡水，所述第二流体为卤水，所述模拟实验腔6为模拟盐腔，模拟盐腔可以采用透明长方体模型箱，或者可以设置成实际的盐腔形态；第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔6、溢流箱10和流场-浓度场监测系统7均置于底板11上，底板11安装在离心机2上，离心机2可选用ZJU400臂式土工离心机；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、溢流箱10均通过各自的管路与模拟实验腔6连通，连通管路可采用水管12；所述控制中枢1控制第一流体注入装置、第二流体注入装置的注入行为，包括开闭时间及注入流量；所述流场-浓度场监测系统7通过离心机2的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢1的指令，在离心机运转产生的超重环境下实时监测模拟盐腔内的流体对流流场和浓度场，并将监测数据回传到控制中枢1。通过视频分析监测的方式解析混合液体浓度，测量度快，实践中采集1024*768个数据点用时87ms。

所述第一流体注入装置包括第一流体储存箱9、步进电机3、螺旋推杆4、活塞筒5、固定支架5-1、三通转接头5-2、第一单向阀5-3和第二单向阀5-4；所述步进电机3和活塞筒通5过固定支架5-1固定在底板11上，所述步进电机3与活塞筒5通过螺旋推杆4相连，所述螺旋推杆4的行进方向平行于离心机2产生的超重力方向，所述活塞筒5与三通转接头5-2的第一接头通过管路连通，三通转接头5-2的第二接头通过管路连通充满染色淡水的第一流体储存箱9，在管路设有第一单向阀5-3，染色淡水可以从第一流体储存箱9流向活塞筒5，三通转接头5-2的第三接头通过管路连通模拟实验腔6，在管路上设有第二单向阀5-4，染色淡水可以从活塞筒5流向模拟实验腔6；所述步进电机3通过离心机2的导电滑环与控制中枢1相连，接收来自控制中枢1的转速、转数及转动方向指令，以精准控制螺旋推杆4的行进速度和距离，可以定量实现活塞筒5自第一流体储存箱9抽拉吸水和向模拟盐腔的推进出水。

所述模拟盐腔固定在底板11上，在离心机2旋转过程中随底板11一起旋转，处于超重环境下；在实验开始时模拟盐腔内充满浓度均匀的浓卤水，对应实际盐腔内的卤水状态；模拟盐腔上设置第一流体注入管6-1、第二流体注入管6-3和溢流管6-2；所述第一流体注入管6-1为可更换的不锈钢射流管，用于向模拟盐腔内注入染色淡水；所述第二流体注入管6-3置于模拟盐腔的底部，与第二流体注入装置连接，用于向模拟实验腔6内注入浓卤水；所述溢流管6-2置于模拟盐腔的顶部附近，与溢流箱10连接，用于排出模拟实验腔6内高于溢流管的流体，以保证模拟实验腔6的液面稳定。

所述第二流体注入装置包括第二流体储存箱8；如图2所示，所述第二流体储存箱与模拟实验腔6连通的管路上设置电磁阀6-4，且第二流体储存箱8的水位高于模拟实验腔6，在重力作用与电磁阀6-4的配合下将浓卤水注入模拟实验腔6；所述电磁阀6-4通过离心机2的导电滑环与控制中枢1相连，接收来自控制中枢1的指令。

所述步进电机3、电磁阀6-4、流场-浓度场监测系统7等均可以通过电缆线13、集线转接器14、离心机2的导电滑环与控制中枢1相连。

在离心机2旋转过程中，染色淡水注入模拟盐腔，与模拟盐腔内的浓卤水混合，进行超重环境下的流体对流相似模拟实验，可以等比例还原原型盐腔内的淡卤水流体对流状态；在一次对流实验结束后，向模拟盐腔注入浓卤水，排出顶部的混合染色流体，模拟盐腔回归初始状态。

利用上述装置进行盐腔流场超重力模拟实验，包括以下步骤：

步骤1：进行步进电机3运转调试，测试其能否通过控制中枢1正常启动和以不同速度和方向旋转，并驱动活塞筒5的抽拉进水和推进出水；

步骤2：调试电磁阀6-4的开闭，并将第二流体储存箱8内装满浓卤水，将第一流体储存箱9内装满染色淡水；

步骤3：离心机2启动，使离心加速度达到N³(N为该次模拟实验的缩尺比例)；

步骤4：打开电磁阀6-4，使模拟盐腔内注满浓卤水；

步骤5：驱动步进电机3使活塞筒5抽拉进水，吸满染色淡水；

步骤6：驱动步进电机3以设定流量对应的转速运转，螺旋推杆4推动活塞筒5排水，染色淡水经三通转接头5-2、第一单向阀5-3、不锈钢射流管进入模拟盐腔，通过流场-浓度场监测系统7对染色淡水的注入、上浮、与卤水混合行为进行实时流场-浓度场监测；

步骤7：设定时间之后，关闭步进电机3，待流场稳定之后，注入的染色淡水与卤水的混合染色流体由于密度比原液体轻，将浮在模拟盐腔内原有的卤水顶部；

步骤8：打开电磁阀6-4，向模拟盐腔底部注入浓卤水，模拟盐腔内液面升高，顶部的混合染色流体经溢流管排出到溢流箱10中；

步骤9：待全部混合染色流体排出之后，关闭电磁阀6-4，一次超重力下淡水-卤水的对流模拟实验完成；

步骤10：设置不同的染色淡水注入流量、注入管口尺寸和时间，重复步骤5-9，观测不同射流流量、射流管口尺寸和时间下，异重流体在超重力下的对流混合规律。

步骤11：预定实验完成，关闭离心机2并导出数据进行后处理。

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，包括控制中枢、离心机、第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔、溢流箱和流场-浓度场监测系统等；所述第一流体的密度小于第二流体；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔、溢流箱和流场-浓度场监测系统均置于离心机上；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、溢流箱均通过各自的管路与模拟实验腔连通；所述控制中枢控制第一流体注入装置、第二流体注入装置的注入行为，包括开闭时间及注入流量；所述流场-浓度场监测系统用于实时采集模拟实验腔中流场变化图像，并传输给控制中枢分析流场和浓度场。

2.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述离心机采用臂式土工离心机，离心机的对侧吊篮上设置配重块，配重块采用铁块或者铅块，用于维持离心机两侧的质量平衡。

3.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔、溢流箱和流场-浓度场监测系统均置于底板上，底板安装在离心机上。

4.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验腔上设置第一流体注入管、第二流体注入管和溢流管；所述第一流体注入管为可更换的不锈钢射流管，与第一流体注入装置连接，用于向模拟实验腔内注入第一流体，通过更换射流管，调整射流实验的射流管口尺寸参数；所述第二流体注入管置于模拟实验腔的底部，与第二流体注入装置连接，用于向模拟实验腔内注入第二流体；所述溢流管置于模拟实验腔的顶部附近，与溢流箱连接，用于排出模拟实验腔内高于溢流管的流体，以保证模拟实验腔的液面稳定。

5.根据权利要求3所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述第一流体注入装置包括第一流体储存箱、步进电机、螺旋推杆、活塞筒、固定支架、三通转接头、第一单向阀和第二单向阀；所述步进电机和活塞筒通过固定支架固定在底板上，所述步进电机与活塞筒通过螺旋推杆相连，所述螺旋推杆的行进方向平行于离心机产生的超重力方向，以利用离心机运转产生的超重力场降低螺旋推杆的推力需求，所述活塞筒与三通转接头的第一接头通过管路连通，三通转接头的第二接头通过管路连通第一流体储存箱，在管路设有第一单向阀，第一流体可以从第一流体储存箱流向活塞筒，三通转接头的第三接头通过管路连通模拟实验腔，在管路上设有第二单向阀，第一流体可以从活塞筒流向模拟实验腔；所述步进电机通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的转速、转数及转动方向指令，以精准控制螺旋推杆的行进速度和距离，可以定量实现活塞筒抽拉补充第一流体及向模拟实验腔推进第一流体。

6.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述第二流体注入装置包括第二流体储存箱；所述第二流体储存箱与模拟实验腔连通的管路上设置蠕动泵，在蠕动泵的作用下将第二流体注入模拟实验腔；或者，所述第二流体储存箱与模拟实验腔连通的管路上设置电磁阀，且第二流体储存箱的水位高于模拟实验腔，在重力作用与电磁阀的配合下将第二流体注入模拟实验腔；所述蠕动泵或电磁阀通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的指令。

7.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述流场-浓度场监测系统通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的指令，在离心机运转产生的超重环境下实时监测模拟实验腔内的流体对流流场和浓度场，并将监测数据回传到控制中枢。

8.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验腔为透明长方体模型箱。

9.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述第一流体为染色淡水，所述第二流体为卤水，所述模拟实验腔为模拟盐腔；在实验开始时模拟盐腔内充满浓度均匀的浓卤水，对应实际盐腔内的卤水状态；在离心机旋转过程中，染色淡水注入模拟盐腔，与模拟盐腔内的浓卤水混合，进行超重环境下的流体对流相似模拟实验，可以等比例还原原型盐腔内的淡卤水流体对流状态；在一次对流实验结束后，向模拟盐腔注入浓卤水，排出顶部的混合染色流体，模拟盐腔回归初始状态。

10.一种利用权利要求1-9任一项所述装置进行异重流体的超重力流场模拟实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：离心机启动，使离心加速度达到N³(N为该次模拟实验的缩尺比例)。

步骤2：通过第二流体注入装置向模拟实验腔内注满第二流体。

步骤3：通过第一流体注入装置向模拟实验腔内注入染色的第一流体，通过流场-浓度场监测系统对第一流体的注入、上浮、与第二流体混合行为进行实时流场-浓度场监测。

步骤4：待流场稳定之后，注入的染色第一流体与第二流体的混合染色流体由于密度比原流体轻，将浮在模拟实验腔顶部。

步骤5：通过第二流体注入装置向模拟实验腔底部注入第二流体，模拟实验腔内液面升高，顶部的混合染色流体经溢流管排出到溢流箱中。

步骤6：待全部混合染色流体排出之后，停止第二流体的注入，一次超重力下异重流体的混合对流模拟实验完成。

步骤7：设置不同的第一流体注入流量、注入管口尺寸和时间，重复步骤3-6，观测不同射流流量、射流管口尺寸和时间下，异重流体在超重力下的对流混合规律。