CN110146252B - 一种考虑环境流体作用机制的密度流实验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑环境流体作用机制的密度流实验装置和方法，包括电子流量阀、循环水泵、管道系统、平底实验水槽、出流稳流装置、固定水头密度流槽、控制阀、入流口、基于抵抗环境流体的密度流、抵抗机制水槽段、基于协同环境流体的密度流、协同机制水槽段、回流稳流装置、滤管等。本发明装置所能进行的实验包括基于动态环境流体的密度流实验、基于静态环境流体的密度流实验。尤其是能同时形成抵抗机制环境流体和协同机制环境流体，两组实验同时进行，便于实验对比，减小实验偶然性，试验过程可结合多设备进行量测，可结合粒子图像测速技术以及声学多普勒测速技术等手段进行精细化水力过程试验。
Description
技术领域
本发明涉及水动力学模型试验领域，具体涉及一种考虑环境流体作用机制的密度流实验装置和方法。
背景技术
在重力场作用下，两种流体密度的差异造成水平压力梯度的存在，从而产生相对运动，形成密度流。在自然环境和实际工程中，异重流现象广泛存在，在雷诺数极大或者极小的情况下，都会形成典型异重流，如火山岩浆、气流锋等。所以其是不同专业领域，如流体力学、地质学、海洋学、环境工程学以及水利工程学等研究的热点。
现已公布的专利方案中，国内外已经给出多种密度流试验装置的技术方案，但是实验装置中的环境流体多为静态，而在现实工况中，环境流体多为动态。环境流体状态的不同对密度流的运动特性影响极大，环境流体根据与密度流流向是否相同分为协同环境流体和抵抗环境流体。综上，考虑环境流体的流态使密度流水槽实验的更具有实际工程应用价值。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种考虑环境流体作用机制的密度流实验装置和方法。
一种考虑环境流体作用机制的密度流实验装置，包括平底实验水槽、密度流入流装置和环境流体导流装置。
所述的实验装置主体为平底实验水槽，所述的平底实验水槽分为协同机制水槽段和抵抗机制水槽段；所述的协同机制水槽段和抵抗机制水槽段上方设有密度流入流装置，所述密度流入流装置由固定水头密度流槽、控制阀、出流口组成，所述的平底实验水槽的侧面和上方均设置有高速摄像机。
所述的平底实验水槽中放置环境流体导流装置，所述环境流体导流装置由管道系统、电子流量阀、循环水泵、出流稳流装置、回流稳流装置组成，其中所述的出流稳流装置和回流稳流装置分别置于所述的平底实验水槽两端。
进一步说，所述的出流稳流装置和回流稳流装置端头为皆为等直径滤管。
进一步说，所述的电子流量阀、循环水泵安装在所述的管道系统上。
利用上述密度流实验装置进行密度流实验的方法，包括基于动态环境流体的密度流实验和基于静态环境流体的密度流实验。
所述的基于动态环境流体的密度流实验过程为：
准备过程：将环境导流装置中的出流稳流装置、回流稳流装置分别置于平底实验水槽的两端，将平底实验水槽中装入预设水深的环境流体，管道系统中充满环境流体，若为固定体积释放实验，固定水头密度流槽中装满高密度流体，若为持续释放实验，固定水头密度流槽外接高密度流体持续供应装置。
实验过程：开启控制阀，固定水头密度流槽中的高密度流通过出流口，进入环境流体中并由平底实验水槽底床向其两端扩散，此时开启管道系统中的循环水泵，实现平底实验水槽中环境流体的流动。此时，平底实验水槽分为抵抗机制水槽段和协同机制水槽段，高速相机记录密度流在不同机制的环境流体中的扩散过程。
实验结束：通过启闭相关阀门使实验停止，清洁仪器，整理相关装置。
所述的基于静态环境流体的密度流实验过程为：
准备过程：将平底实验水槽中装入预设水深的环境流体，若为固定体积释放实验，固定水头密度流槽中装满高密度流体，若为持续释放实验，固定水头密度流槽外接高密度流体持续供应装置。
实验过程：开启控制阀，固定水头密度流槽中的高密度流通过出流口，进入环境流体中并由平底实验水槽底床向其两端扩散，高速相机记录密度流在不同机制的环境流体中的扩散过程。
实验结束：通过启闭相关阀门使实验停止，清洁仪器，整理相关装置。
本发明的有益效果：
1、本发明装置设计新颖，工况组合多样，整体性好，可靠性强，装置成本低，效率高。
2、本发明装置所能进行的实验包括基于动态环境流体的密度流实验、基于静态环境流体的密度流实验。
3、本发明装置能同时形成抵抗机制环境流体和协同机制环境流体，两组实验同时进行，便于实验对比，减小实验偶然性。
4、本发明装置采用高速摄像机实时记录密度流在协同和抵抗环境流体中运动过程，数值获取实时性强。
5、本发明方法的试验过程可结合多设备进行量测，可结合粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry, PIV）技术以及声学多普勒测速技术等手段进行精细化水力过程试验，本装置的试验设计可拓展性显著。
附图说明
图1是本发明的主视示意图。
图2是本发明的稳流装置细部结构图。
图中：1.电子流量阀，2.循环水泵，3.管道系统，4.平底实验水槽，5.出流稳流装置，6.固定水头密度流槽，7.控制阀，8.出流口，9.基于抵抗环境流体的密度流，10.抵抗机制水槽段，11.基于协同环境流体的密度流，12.协同机制水槽段，13.回流稳流装置，14.滤管。
具体实施方式
以下结合附图1和图2对本发明作进一步说明，
本发明的实验装置主体为平底实验水槽4，所述的平底实验水槽分为协同机制水槽段12和抵抗机制水槽段10，所述的协同机制水槽段和抵抗机制水槽段上方设有密度流入流装置，所述的密度流入流装置分为固定水头密度流槽6、控制阀7、出流口8，所述的平底实验水槽的侧面和上方均设置有高速摄像机。
所述的平底实验水槽中放置环境流体导流装置。
所述的环境流体导流装置包括管道系统3、电子流量阀1、循环水泵2、出流稳流装置5、回流稳流装置13。
进一步说，所述的出流稳流装置和回流稳流装置分别置于所述的平底实验水槽两端。
进一步说，所述的出流稳流装置和回流稳流装置端头为皆为等直径滤管14。
进一步说，所述的电子流量阀、循环水泵位于所述的管道系统上。
考虑环境流体作用机制的密度流实验方法，采用上述试验装置，包括基于动态环境流体的密度流实验、基于静态环境流体的密度流实验。
所述的基于动态环境流体的密度流实验过程为：
a. 准备过程
将环境导流装置中的出流稳流装置5、回流稳流装置13分别置于平底实验水槽的两端，将平底实验水槽4中装入预设水深的环境流体，管道系统3中充满环境流体，若为固定体积释放实验，固定水头密度流槽6中装满高密度流体，若为持续释放实验，固定水头密度流槽6外接高密度流体持续供应装置。
b. 实验过程
开启控制阀7，固定水头密度流槽6中的高密度流通过出流口8,进入环境流体中并由平底实验水槽4底床向其两端扩散，此时开启管道系统3中的循环水泵2，实现平底实验水槽4中环境流体的流动。此时，平底实验水槽4分为抵抗机制水槽段10和协同机制水槽段12，高速相机记录密度流在不同机制的环境流体中的扩散过程，包括基于抵抗环境流体的密度流9和基于协同环境流体的密度流11。
c. 实验结束
通过启闭相关阀门使实验停止，清洁仪器，整理相关装置。
所述的基于静态环境流体的密度流实验过程为：
a. 准备过程
将平底实验水槽4中装入预设水深的环境流体，若为固定体积释放实验，固定水头密度流槽6中装满高密度流体，若为持续释放实验，固定水头密度流槽6外接高密度流体持续供应装置。
b. 实验过程
开启控制阀7，固定水头密度流槽6中的高密度流通过出流口8,进入环境流体中并由平底实验水槽4底床向其两端扩散，高速相机记录密度流在不同机制的环境流体中的扩散过程。
c. 实验结束
通过启闭相关阀门使实验停止，清洁仪器，整理相关装置。
综上，该试验装置系统结构简单，操作方便；能同时形成协同环境流体和抵抗环境流体，两组实验同时进行消除了实验的偶然性；密度流入流口可选用固定体积释放和持续释放两种模式，以模拟现实中多种密度流工况；密度流生成可采用成分驱动和颗粒驱动两种形式，通过该试验装置系统弥补了以往传统密度流试验中工况的单一性，成功实现了对不同类型密度流的模拟，进一步考虑环境流体的流向，能提高对密度流分析与研究的可靠性、准确性和科学性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“竖直”、“底部”、“内”、“侧”、“垂直”、“上”、“下”、“上端”、“下”、“后方”、“高度”、“前”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、 “连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。
本发明在进行以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种考虑环境流体作用机制的密度流实验装置，包括平底实验水槽、密度流入流装置和环境流体导流装置，其特征在于：
所述的实验装置主体为平底实验水槽，所述的平底实验水槽分为协同机制水槽段和抵抗机制水槽段；所述的协同机制水槽段和抵抗机制水槽段上方设有密度流入流装置，所述密度流入流装置由固定水头密度流槽、控制阀、出流口组成，所述的平底实验水槽的侧面和上方均设置有高速摄像机；
所述的平底实验水槽中放置环境流体导流装置，所述环境流体导流装置由管道系统、电子流量阀、循环水泵、出流稳流装置、回流稳流装置组成，其中所述的出流稳流装置和回流稳流装置分别置于所述的平底实验水槽两端。
2.根据权利要求1所述的一种考虑环境流体作用机制的密度流实验装置，其特征在于：所述的出流稳流装置和回流稳流装置端头为皆为等直径滤管。
3.根据权利要求1所述的一种考虑环境流体作用机制的密度流实验装置，其特征在于：所述的电子流量阀、循环水泵安装在所述的管道系统上。
4.利用权利要求1所述的密度流实验装置进行密度流实验的方法，包括基于动态环境流体的密度流实验和基于静态环境流体的密度流实验，其特征在于：
所述的基于动态环境流体的密度流实验过程为：
准备过程：将环境导流装置中的出流稳流装置、回流稳流装置分别置于平底实验水槽的两端，将平底实验水槽中装入预设水深的环境流体，管道系统中充满环境流体，若为固定体积释放实验，固定水头密度流槽中装满高密度流体，若为持续释放实验，固定水头密度流槽外接高密度流体持续供应装置；
实验过程：开启控制阀，固定水头密度流槽中的高密度流通过出流口，进入环境流体中并由平底实验水槽底床向其两端扩散，此时开启管道系统中的循环水泵，实现平底实验水槽中环境流体的流动；此时，平底实验水槽分为抵抗机制水槽段和协同机制水槽段，高速相机记录密度流在不同机制的环境流体中的扩散过程；
实验结束：通过启闭相关阀门使实验停止，清洁仪器，整理相关装置；
所述的基于静态环境流体的密度流实验过程为：
准备过程：将平底实验水槽中装入预设水深的环境流体，若为固定体积释放实验，固定水头密度流槽中装满高密度流体，若为持续释放实验，固定水头密度流槽外接高密度流体持续供应装置；
实验过程：开启控制阀，固定水头密度流槽中的高密度流通过出流口，进入环境流体中并由平底实验水槽底床向其两端扩散，高速相机记录密度流在不同机制的环境流体中的扩散过程；
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