CN111024540A - 一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于液体冲击侵蚀实验装置技术领域，公开了一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置及方法，实验装置包括浆体浓度调配装置、泥浆泵、水流调速装置、侵蚀测量装置、矩形水平管和试样推送装置；浆体浓度调配装置提供浆体，浆体调配池、泥浆泵和矩形水平管依次通过PVC管道连接；水流调速装置用于调节管道内浆体流量；由透明亚克力材料制成的矩形水平管安装在工作台上，矩形水平管的底部中间连通有硬质试样管，矩形水平管沿浆体流向的末端与浆体调配池通过PVC管道连接；试样推送装置用于从硬质试样管推送一部分试样至矩形水平管内；侵蚀测量装置用于获取试样顶部侵蚀高度变化参数及侵蚀时间。本装置保证了实验结果的准确性。

Description

一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及液体冲击侵蚀实验装置技术领域，具体为一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置及方法。

背景技术

泥浆侵蚀装置是用一定浓度的浆体(含固体颗粒的液体)以某一速度对试件的表面进行冲刷，观测、记录侵蚀量及时间，得出试件的侵蚀速率，从而对相应的工程设计或者灾害预警提供一定的基础数据的支持。目前泥浆侵蚀装置主要分为两种类型:射流式和旋转式；射流式实验装置的主要缺点是喷嘴的磨损，需要对冲击速度进行周期性的测量和校准。此外，液体中所有固体颗粒的碰撞角度也不相同、以及试件接触的固体颗粒密集程度也不相同。旋转式实验装置则难以控制颗粒的流动条件和参数，如冲击颗粒的真实密度和浆体的浓度。

发明内容

本发的目的在于提供一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，解决现有技术难以控制浆体中固体颗粒的流动条件和参数的问题。

为达到上述目的，本发明提供基础方案是：一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，包括浆体浓度调配装置、泥浆泵、水流调速装置、侵蚀测量装置、矩形水平管和试样推送装置；

所述浆体浓度调配装置包括浆体调配池和用于搅拌浆体调配池内浆体的搅拌机；

所述浆体调配池、泥浆泵和矩形水平管依次通过PVC管道连接；

所述水流调速装置包括电磁阀和电波流速仪，所述电磁阀安装在泥浆泵和矩形水平管之间的管道上，所述电磁阀的水平高度低于矩形水平管的水平高度，所述电波流速仪设置在矩形水平管的入口端，所述水流调速装置用于控制矩形水平管内浆体流速；

所述浆体调配池一侧设有工作台，所述矩形水平管安装在工作台上，所述矩形水平管由透明亚克力材料制成，所述矩形水平管的底部中间连通有硬质试样管，所述矩形水平管沿浆体流向的末端与浆体调配池通过PVC管道连接；

所述试样推送装置用于从硬质试样管推送一部分试样至矩形水平管内，且该部分试样的高度为1-3mm；

所述侵蚀测量装置用于获取试样顶部侵蚀高度变化及侵蚀时间。

基础方案的工作原理是：首先通过浆体浓度调配装置将固体颗粒与液体混合成一定浓度的浆体，并使其浓度在泥浆池里保持恒定；然后使用活塞将试样送入矩形水平管，再通过泥浆泵将泥浆池的浆体输送入管道，并通过水流调速装置，调节浆体流量，控制浆体在对试样侵蚀时的速度，浆体水平冲刷试样的顶部，浆体中的固体颗粒对试件的碰撞角度基本相同，最后通过侵蚀测量装置测得矩形水平管内的试样侵蚀高度。

基础方案的有益效果是：本装置能够保证浆体浓度的稳定、以及浆体中固体颗粒对试样的碰撞角度基本一致，保证了实验结果的准确性；而且本装置可以控制浆体浓度、水流流速两个变量，能测量浆体浓度、水流流速或者两个因素耦合情况下试样的侵蚀速率，操作简单，提高了实验精度以及实验效率；同时，本实验装置所采取的试样可以是尾矿砂、土壤、岩石等多种材质，从而可以发现其不同侵蚀规律，为工程设计或者灾害预警提供支持，提高了本装置的适用范围。

进一步，所述侵蚀测量装置包括激光测距仪和高速摄像机，所述激光测距仪安装在硬质试样管上方的矩形水平管顶部，所述高速摄像机安装在硬质试样管的前侧，所述激光测距仪用于测量试样顶部侵蚀高度，所述高速摄像机用于实时记录试样侵蚀高度变化及侵蚀时间。

通过上述设置，可方便的测得试样侵蚀高度的变化，提高了实验效率。

进一步，所述试样推送装置位于工作台的下方，其包括电机和活塞，所述活塞与硬质试样管的内腔滑动连接，所述活塞的底部固接有设有齿条的连杆，所述电机的输出轴上设有与齿条啮合的齿轮。

通过上述设置，电机和活塞的配合可方便的推送试样。

进一步，所述矩形水平管的两端和管道靠近矩形水平管的端部均固接有法兰盘，且相邻两块法兰盘采用垫片密封、螺栓连接固定，所述法兰盘采用亚克力材料制成。

通过上述设置，适用法兰盘连接，具有结合面严密性好，强度高，便于拆卸的优点。

进一步，所述工作台上端固定安装有工字金属支架，所述矩形水平管放置在金属支架上，所述矩形水平管上端与金属支架对应的位置设有铁片，铁片的两端与金属支架的顶部通过螺栓连接。

通过上述设置，防止由于推送试样而使矩形水平管位移，以及水流力量过大造成矩形水平管的破坏。

进一步，所述浆体调配池是由玻璃材料围合而成的无盖长方体水池。

通过上述设置，可直接观察浆体调配池的调配情况。

本发明的另一目的在于提供一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验方法，应用于上述实验装置，所述实验方法包括：S1、实验准备；S2、含沙水流中试件侵蚀速率测量；S3、实验设备清理；所述步骤S1中，实验准备包括以下具体步骤：

S11、向试样管中填充所测试样材料，填充高度为50-150mm；

S12、调配含沙水流浓度：按质量浓度百分比称取相试样材料、水，并通过搅拌机调配均匀。

所述步骤S2中，沙水流中试件侵蚀速率测量包括以下具体步骤：

S21、设定含沙水流初始流速；

S22、通过活塞将尾矿试样向管内推进1-3mm，用激光测距仪测量试样推入水平管后高度；

S23、开启高速摄像机，启动泥浆泵，开始侵蚀实验，待推入水平管内的试样被侵蚀后停泵，用激光测距仪测量试样侵蚀最严重位置的高度，同时记录试样被含沙水流侵蚀所需要的时间；

S24、取出试样管，将试样被侵蚀表面削平，再次装入水平管；

S25、按上述步骤S21-S24重复实验5次；

S26、调整含沙水流的浓度，在不同浓度设定下按上述步骤S21-S25重复实验5次。

附图说明

图1为本发明一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置的结构示意图；

图2为图1中本发明的试样推送装置的结构示意图；

图3为图1中本发明的金属支架的结构示意图；

图4为图1中本发明的矩形水平管的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：浆体浓度调配装置1、浆体调配池101、搅拌机102、泥浆泵2、矩形水平管3、电磁阀4、工作台5、金属支架6、硬质试样管7、法兰盘8、电机9、连杆10、活塞11、激光测距仪12、铁片13、电波流速仪14、高速摄像机15。

实施例基本如图1所示，一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，包括浆体浓度调配装置1、泥浆泵2、水流调速装置、侵蚀测量装置、矩形水平管3和试样推送装置；

浆体浓度调配装置1包括浆体调配池101和用于搅拌浆体调配池101内浆体的搅拌机102，浆体调配池101是由玻璃材料围合而成的无盖长方体水池，尺寸为1.2m╳0.6m╳0.5m，搅拌机102置于浆体调配池101里，将尾矿砂与水体充分搅拌，使池中的浆体浓度相对恒定，保障侵蚀实验的顺利运行。

浆体调配池101、泥浆泵2和矩形水平管3依次通过DN75的PVC管道连接，泥浆泵2的功率为1.5kw，流量为40m3/h，扬程为9m。

水流调速装置包括电磁阀4和电波流速仪14，电磁阀4安装在泥浆泵2和矩形水平管3之间的管道上，电磁阀4的水平高度低于矩形水平管3的水平高度，电磁阀4重量轻、耐腐蚀性强，维护简单易行，适用于浆体阀门控制，通过其阀门来改变PVC管道的截流面积，且由于泵的功率、流量一定，可通过改变水流截面的大小来调节水流流速，而之后的PVC管道内液体是向上流动的，因此也会保证水流在电磁阀4后面管道中满管流动，该阀门使水流流速控制在0.8m/s-1.5m/s。电波流速仪14安装在矩形水平管3的入口端，电波流速仪14与电磁阀4电性连接，用于控制矩形水平管3内浆体流速。

请参考图3，浆体调配池101右侧设有工作台5，工作台5上端通过螺栓固定连接有两个工字形的金属支架6，矩形水平管3放置在金属支架6上，矩形水平管3上端与金属支架6对应的位置紧密包裹有铁片13，铁片13的两端与金属支架6的顶部通过螺栓连接，通过这种方式固定矩形水平管3，防止由于推送试样而使矩形水平管3位移，以及水流力量过大造成矩形水平管3的破坏。

请参考图4，矩形水平管3由透明亚克力材料制成，能够清晰的观测水流流动情况及尾矿试样侵蚀前后的形态变化，其尺寸为长135cm，宽8cm，高8cm；此外，在水平管底部中间留有直径4cm的圆孔，并通过该圆孔连通有硬质试样管7，硬质试样管7则为薄壁的金属管，其长20cm，外径4.2cm，壁厚0.1cm。

在水平管的两端均固定焊接有采用亚克力材料制成的直径16cm的圆形法兰盘8，圆形法兰盘8采用亚克力材料制成，其直径为16cm，法兰盘8中心开孔7.5cm，管道靠近矩形水平管3的端部固接有相匹配的圆形法兰盘8，且相邻两块圆形法兰盘8采用垫片密封、螺栓连接固定。

请参考图2，所述试样推送装置位于工作台5的下方，其包括电机9和活塞11，所述活塞11与硬质试样管7的内腔滑动连接，所述活塞11的底部固接有设有齿条的连杆10，所述电机9的输出轴上设有与齿条啮合的齿轮。通过启动电机9调节高度，使活塞11推动尾矿试样上下移动，使活塞11从硬质试样管7推送一部分试样至矩形水平管3内，且该部分试样的高度为3mm。

侵蚀测量装置用于获取试样顶部侵蚀高度变化参数及侵蚀时间，侵蚀测量装置包括激光测距仪12和高速摄像机15，激光测距仪12安装在硬质试样管7上方的矩形水平管3顶部，高速摄像机15安装在硬质试样管的右前侧，激光测距仪12用于测量试样顶部侵蚀高度，高速摄像机15拍摄位于矩形管的部分试样，实时记录试样侵蚀高度变化及侵蚀时间。其原理是先在水平管上端用激光测距仪12测量试样推入水平管的高度，然后启动泥浆泵2开始实验，实验结束后再次用激光测距仪12测量被侵蚀试样后侵蚀高度最大值，因此，侵蚀速率z的计算公式为

式中，h₁是试样推入水平管的初始读数，单位为mm；h₂是试样侵蚀最深的读数，单位为mm；t是侵蚀时间，单位为s。

一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验方法，应用于上述实验装置，实验方法包括：S1、实验准备；S2、含沙水流中试件侵蚀速率测量；S3、实验设备清理；步骤S1中，实验准备包括以下具体步骤：

S11、向试样管中填充所测试样材料，填充高度为50-150mm；

S12、调配含沙水流浓度：按质量浓度百分比称取相试样材料、水，并通过搅拌机调配均匀；

步骤S2中，沙水流中试件侵蚀速率测量包括以下具体步骤：

S21、设定含沙水流初始流速；

S22、通过活塞11将尾矿试样向管内推进1-3mm，用激光测距仪12测量试样推入水平管后高度；

S23、开启高速摄像机15，启动泥浆泵2，开始侵蚀实验，待推入矩形水平管内3的试样被侵蚀后停泵，用激光测距仪12测量试样侵蚀最严重位置的高度，同时记录试样被含沙水流侵蚀所需要的时间；

S24、取出试样管，将试样被侵蚀表面削平，再次装入水平管；

S25、按上述步骤S21-S24重复实验5次；

S26、调整含沙水流的浓度，在不同浓度设定下按上述步骤S21-S25重复实验5次。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，其特征在于：包括浆体浓度调配装置、泥浆泵、水流调速装置、侵蚀测量装置、矩形水平管和试样推送装置；

所述浆体浓度调配装置包括浆体调配池和用于搅拌浆体调配池内浆体的搅拌机；

所述浆体调配池、泥浆泵和矩形水平管依次通过PVC管道连接；

所述水流调速装置包括电磁阀和电波流速仪，所述电磁阀安装在泥浆泵和矩形水平管之间的管道上，所述电磁阀的水平高度低于矩形水平管的水平高度，所述电波流速仪设置在矩形水平管的入口端，所述水流调速装置用于控制矩形水平管内浆体流速；

所述浆体调配池一侧设有工作台，所述矩形水平管安装在工作台上，所述矩形水平管由透明亚克力材料制成，所述矩形水平管的底部中间连通有硬质试样管，所述矩形水平管沿浆体流向的末端与浆体调配池通过PVC管道连接；

所述试样推送装置用于从硬质试样管推送一部分试样至矩形水平管内，且该部分试样的高度为1-3mm；

所述侵蚀测量装置用于获取试样顶部侵蚀高度变化及侵蚀时间。

2.根据权利要求1所述的一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，其特征在于：所述侵蚀测量装置包括激光测距仪和高速摄像机，所述激光测距仪安装在硬质试样管上方的矩形水平管顶部，所述高速摄像机安装在硬质试样管的前侧，所述激光测距仪用于测量试样顶部侵蚀高度，所述高速摄像机用于实时记录试样侵蚀高度变化及侵蚀时间。

3.根据权利要求1所述的一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，其特征在于：所述试样推送装置位于工作台的下方，其包括电机和活塞，所述活塞与硬质试样管的内腔滑动连接，所述活塞的底部固接有设有齿条的连杆，所述电机的输出轴上设有与齿条啮合的齿轮。

4.根据权利要求1所述的一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，其特征在于：所述矩形水平管的两端和管道靠近矩形水平管的端部均固接有法兰盘，且相邻两块法兰盘采用垫片密封、螺栓连接固定，所述法兰盘采用亚克力材料制成。

5.根据权利要求1所述的一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，其特征在于：所述工作台上端固定安装有工字金属支架，所述矩形水平管放置在金属支架上，所述矩形水平管上端与金属支架对应的位置设有铁片，铁片的两端与金属支架的顶部通过螺栓连接。

6.根据权利要求1所述的一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验装置，其特征在于：所述浆体调配池是由玻璃材料围合而成的无盖长方体水池。

7.一种测量含沙水流中试件侵蚀速率的实验方法，应用于权利要求1～6任意一项所述的实验装置，所述实验方法包括：S1、实验准备；S2、含沙水流中试件侵蚀速率测量；S3、实验设备清理；其特征在于，

所述步骤S1中，实验准备包括以下具体步骤：

S11、向试样管中填充所测试样材料，填充高度为50-150mm；

S12、调配含沙水流浓度：按质量浓度百分比称取相试样材料、水，并通过搅拌机调配均匀；

所述步骤S2中，含沙水流中试件侵蚀速率测量包括以下具体步骤：

S21、设定含沙水流初始流速；

S22、通过活塞将尾矿试样向管内推进1-3mm，用激光测距仪测量试样推入水平管后高度；

S23、开启高速摄像机，启动泥浆泵，开始侵蚀实验，待推入水平管内的试样被侵蚀后停泵，用激光测距仪测量试样侵蚀最严重位置的高度，同时记录试样被含沙水流侵蚀所需要的时间；

S24、取出试样管，将试样被侵蚀表面削平，再次装入水平管；

S25、按上述步骤S21-S24重复实验5次；

S26、调整含沙水流的浓度，在不同浓度设定下按上述步骤S21-S25重复实验5次。

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