CN114166718B - 一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于湿颗粒群液化技术领域，具体涉及一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置及方法。本发明基于颗粒间液桥相关力学特性与理论研究，将微小、不宜观察的颗粒群间液体流动行为直观放大，对颗粒群间液体在受到干扰后的流动、转移等现象进行观测。本发明选取单层颗粒群，给予一定的初始持液量，形成颗粒间稳定液体系统，再利用手动装置对系统进行干扰，使系统发生渗流，并用高速摄像机记录颗粒间液体行为，实现对持液颗粒群受扰动失稳渗流现象的内在机理研究。

Description

一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置及方法

技术领域

本发明属于湿颗粒群液化技术领域，具体涉及一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置及方法。

背景技术

持液湿颗粒群的稳定性研究在船海运输、矿物液化、土木建筑等多个领域都有着重要的实际意义，如镍矿船的液化倾覆现象归根结底是由于持液湿矿物受外力扰动呈现流态化，进而严重降低船舶稳性导致的。即持液湿颗粒群的力学特性主要与颗粒间渗流现象有关，研究持液湿颗粒群间由于受到扰动导致的渗流现象对于探索颗粒群稳定性有着重要意义。对于稳定的持液颗粒群系统来说，增加持液量或受到外载荷干扰都可能导致失稳渗流现象的发生。持液颗粒群系统间作用复杂，且液体在其中流动、转移等微观现象不易观察，目前针对颗粒群液化行为的研究多集中于宏观。

发明内容

本发明的目的在于提供一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置，包括单层持液颗粒群模块、磁吸扰动模块、颗粒群持液控制模块、高速摄像图像采集模块；

所述单层持液颗粒群模块包括水密铰固控制旋钮、前透明夹持面板、后透明夹持面板、接水槽、球形颗粒；所述前透明夹持面板与所述后透明夹持面板可组合为水密封闭框架结构，在水密封闭框架结构底部设有放水口，在所述前透明夹持面板与所述后透明夹持面板上均附有网格定位图层，用于所述球形颗粒排布时定位及后续图像数据处理；所述球形颗粒按试验方案排布，形成单层颗粒群；所述水密铰固控制旋钮用于将所述单层颗粒群夹持在所述前透明夹持面板与所述后透明夹持面板之间，并使两面板上的网格定位图层对齐；所述接水槽布置在所述放水口的下方；

所述磁吸扰动模块包括试验小球和磁铁；所述试验小球由铁磁类材料制成，体积小于球形颗粒之间排布间隙，所述试验小球布置于所述单层颗粒群中，可在球形颗粒之间排布间隙中受迫运动；所述磁铁可控制试验小球的运动，用于为球形颗粒之间持液处提供扰动；

所述颗粒群持液控制模块包括多支路均分流移液管；所述多支路均分流移液管布置在由所述前透明夹持面板与所述后透明夹持面板组合成的水密封闭框架结构的上方，所述多支路均分流移液管的每一支路出口处均配备有缓冲注水口，用于消除液体注射时速度对试验小球冲击的影响；

所述高速摄像图像采集模块用于记录所述单层颗粒群液体稳定持液、受扰动、渗流的完整过程，通过对记录的视频照片进行后续处理，得到颗粒群间液桥形式、液体分布规律、液体失稳渗流形式。

进一步地，所述高速摄像图像采集模块包括LED补光灯、高速摄像机、图像数据采集记录主机；所述高速摄像机正对所述前透明夹持面板，视野界面保证整个单层颗粒群都处于摄像记录范围；所述图像数据采集记录主机与所述高速摄像机连接。

一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验方法，包括以下步骤：

步骤1：依照试验方案在前透明夹持面板与后透明夹持面板之间排布球形颗粒，形成单层颗粒群；通过铰固控制旋钮将单层颗粒群夹持在前透明夹持面板与后透明夹持面板之间，并使两面板上的网格定位图层对齐，检查装置水密性；

步骤2：通过移液器向单层颗粒群主体部分添加定量液体，所添加液体通过多支路均分流移液管与缓冲注水口近似准静态地进入单层颗粒群主体部分，所添加液体的体积即为初始持液量，计算得到初始饱和度；

步骤3：控制磁铁使试验小球在球形颗粒之间排布间隙之间运动，为球形颗粒之间持液处提供扰动，通过高速摄像图像采集模块拍摄记录整个单层颗粒群受扰渗流过程，试验完成后打开放水口使水流入接水槽中；

步骤4：对高速摄像图像采集模块记录的视频照片进行后续处理，得到颗粒群间液桥形式、液体分布规律、液体失稳渗流形式。

本发明的有益效果在于：

本发明可以通过改变球形颗粒直径、颗粒排布方式、颗粒初始持液量、液体种类等多个变量来观察持液颗粒群间扰动渗流现象；本发明可以通过高清晰度高速摄像图像采集系统记录单层颗粒群间液体持液、受扰、渗流的全过程，并通过图像处理得到持液颗粒群间扰动渗流现象规律；本发明将微小且不宜观察的颗粒群间液体流动、渗流直观放大，实现微小物理量的放大转化，实现由特殊到一般的规律性总结，同时具备观测无扰动系统受持液量影响现象的能力。

附图说明

图1为本发明中的持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置的总体结构图。

图2为本发明中前透明夹持面板与后透明夹持面板的示意图。

图3为本发明中磁吸扰动模块的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明基于颗粒间液桥相关力学特性与理论研究，将微小、不宜观察的颗粒群间液体流动行为直观放大，对颗粒群间液体在受到干扰后的流动、转移等现象进行观测。本发明选取单层颗粒群，给予一定的初始持液量，形成颗粒间稳定液体系统，再利用手动装置对系统进行干扰，使系统发生渗流，并用高速摄像机记录颗粒间液体行为，实现对持液颗粒群受扰动失稳渗流现象的内在机理研究。

参见图1-图3，在一个实施例中，本发明的持液颗粒群间扰动渗流现象观测装置，包括：单层持液颗粒群主体部分、颗粒群持液控制系统、手动磁吸扰动装置、高速摄像图像采集系统。

所述单层持液颗粒群主体部分包括：前透明夹持面板5、后透明夹持面板6、下放水口7、水密铰固控制旋钮4、水平高度可调节支架8、接水槽9、球形颗粒14，前透明夹持面板5与后透明夹持面板6通过水密铰固控制旋钮4将若干胶固球形颗粒14夹持形成单层颗粒群，装置使用中为水密系统，接水槽9位于下放水口7正下方，单层持液颗粒群主体下方设有两水平高度可调节支架8，用于将装置主体调整到适当高度并调节为水平，其中前透明夹持面板5与后透明夹持面板6上都有网格定位图层，便于固定颗粒以及后续试验图像观察处理。

所述颗粒群持液控制系统包括：移液器1、缓冲注水口2、五支路均分流移液管3，移液器1与五支路均分流移液管3相连，将所添加液体均分为五部分，并通过缓冲注水口2进入单层持液颗粒群主体部分，液体进入主体部分近似准静态，消除移液流速对试验的影响。

所述手动磁吸扰动装置包括：铁质小球15、强力磁铁16，铁质小球15小于球形颗粒14之间排布间隙，可在间隙处受迫运动，铁质小球15通过手动控制强力磁铁16吸引移动，在球形颗粒14间持液处提供扰动。

所述高速摄像图像采集系统包括：高像素高速摄像机11、高速摄像机支架12、图像数据采集记录主机13、LED补光灯10，固定在高速摄像机支架12上的高像素高速摄像机11正对前透明夹持面板5，用于拍摄试验现象，高像素高速摄像机11连接在图像数据采集记录主机13上。

本发明的单层持液颗粒群主体部分用于实现单层持液颗粒群的形成，前透明夹持面板5与后透明夹持面板6尺寸均为1*100*100mm，材质为透明亚克力板，前透明夹持面板5与后透明夹持面板6上均附有毫米网格定位图层，为防止激光刻痕对试验精密度产生影响，本装置选用贴附图层式，毫米网格定位图层上标有刻度，且每十条线处进行加粗，便于小球排布时定位及后续图像数据处理。单层持液颗粒群主体部分中胶固排布的球形颗粒14可替换不同尺寸，可按不同模式排布。前透明夹持面板5与后透明夹持面板6通过水密铰固控制旋钮4将若干胶固球形颗粒14夹持形成单层颗粒群，装置使用中为水密状态。试验会发生渗流导致底层积水，试验结束后打开下放水口7使水流入接水槽9中。

颗粒群持液控制系统用于向单层持液颗粒群主体注水，提供初始持液量。通过移液器1控制添加液体的体积，为使液体均匀流入单层颗粒群中，加装五支路均分流移液管3，每分流移液管出口处均配备缓冲注水口2，意在消除液体注射时速度对小球系统冲击的影响。为了保证试验过程中标定添加的液体与流入单层持液颗粒群装置主体的一致，实验前五支路均分流移液管3中液体处于满载饱和状态。颗粒群持液控制系统在本方案中用于提供初始持液量，此外，还可用于实现持液量对颗粒群系统稳定性的影响研究。

手动磁吸扰动装置包括铁质小球15和强力磁铁16，其中铁质小球15直径为1mm，可在颗粒群间隙处受强力磁铁16控制运动，为球形颗粒14群间积液处提供扰动。铁质小球在颗粒群间隙足够大时还可在间隙中穿梭运动，探究稳定单层持液颗粒群系统在持液量一定时受到扰动失稳后的渗流现象。

本发明的持液颗粒群间扰动渗流现象观测装置所能创造及测量的变量主要如下：

初始持液量：持液量对于湿颗粒群系统的性质有着重要影响。本发明包含一套可控移液装置，可实现不同体积液体的添加。

颗粒排布模式：本发明将若干等径球形颗粒胶固排布，不同的颗粒排布模式影响单层颗粒群间隙。

初始饱和度：初始持液量和颗粒排布模式确定的情况下可以计算得到初始饱和度。

初始液桥形貌：在表面张力和基质吸力的共同作用下，球形颗粒间液桥会呈现不同的形貌特性。本发明通过控制初始持液量和排布形式进而改变初始饱和度，使初始液桥呈现不同的形貌特性。

外载荷扰动：探究持液颗粒群间液体受扰动后的动态行为是本发明的核心目的，本发明采用内置球体提供扰动，通过强力磁铁对铁质小球运动轨迹进行控制。

极限持液量：极限持液量/极限饱和度为颗粒群系统在不受载荷干扰下所能容纳的最大液体体积/饱和度。极限持液量是表征球间持液特性的重要参数。

颗粒直径：本发明中小球均可拆下进行更换，通过更换小球实现改变颗粒群尺度的目的。

高速摄像图像采集系统用于记录颗粒群间液体稳定持液、受扰动、渗流的完整过程。本装置对于图像清晰度要求很高，故选用百万级像素高速摄像机11，辅助进行试验现象的观测分析。本发明中所用高速摄像机可达100帧每秒。摄像机的视野界面应保证整个颗粒群系统都处于摄像记录范围。对高速摄像机记录的视频照片等进行后续处理，可以得到颗粒群间液桥形式、液体分布规律、液体失稳渗流形式等重要形貌数据。

在另一实施例中，本发明的持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验方法，具体步骤可分为如下五个部分：

(1)依照实验方案搭建实验台，检查各设备安装是否正确，确保装置供电及设备运行正常；

(2)在后透明夹持面板6上按预计试验方案胶固排布球形颗粒14，注意对准网格定位图层。通过水密铰固控制旋钮4将前透明夹持面板5安装紧密，注意前后两透明夹持面板上定位图层对齐，检查装置水密性。调节单层持液颗粒群主体部分的水平高度可调节支架8与高速摄像机支架12，调节LED补光灯10，确保高像素高速摄像机11视野清晰对心准确；

(3)推动移液器1开关向单层持液颗粒群主体部分添加定量液体，所添加液体通过五支路均分流移液管3与缓冲注水口2均分为五部分近似准静态的进入主体部分，所加液体体积即为初始持液量，计算得到初始饱和度；

(4)在颗粒群间隙处控制强力磁铁16使铁质小球15运动，为球形颗粒群间积液处提供扰动，高像素高速摄像机11拍摄记录整个颗粒群受扰渗流过程，试验完成后打开下放水口7使水流入接水槽9中；

(5)后续利用图像数据采集记录主机13对高速摄像机11记录的视频照片等进行后续处理，可以得到颗粒群间液桥形式、液体分布规律、液体失稳渗流形式等重要形貌数据。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置，其特征在于：包括单层持液颗粒群模块、磁吸扰动模块、颗粒群持液控制模块、高速摄像图像采集模块；

所述单层持液颗粒群模块包括水密铰固控制旋钮(4)、前透明夹持面板(5)、后透明夹持面板(6)、接水槽(9)、球形颗粒(14)；所述前透明夹持面板(5)与所述后透明夹持面板(6)可组合为水密封闭框架结构，在水密封闭框架结构底部设有放水口(7)，在所述前透明夹持面板(5)与所述后透明夹持面板(6)上均附有网格定位图层，用于所述球形颗粒(14)排布时定位及后续图像数据处理；所述球形颗粒(14)按试验方案排布，形成单层颗粒群；所述水密铰固控制旋钮(4)用于将所述单层颗粒群夹持在所述前透明夹持面板(5)与所述后透明夹持面板(6)之间，并使两面板上的网格定位图层对齐；所述接水槽(9)布置在所述放水口(7)的下方；

所述磁吸扰动模块包括试验小球(15)和磁铁(16)；所述试验小球(15)由铁磁类材料制成，体积小于球形颗粒(14)之间排布间隙，所述试验小球(15)布置于所述单层颗粒群中，可在球形颗粒(14)之间排布间隙中受迫运动；所述磁铁(16)可控制试验小球(15)的运动，用于为球形颗粒(14)之间持液处提供扰动；

所述颗粒群持液控制模块包括多支路均分流移液管(3)；所述多支路均分流移液管(3)布置在由所述前透明夹持面板(5)与所述后透明夹持面板(6)组合成的水密封闭框架结构的上方，所述多支路均分流移液管(3)的每一支路出口处均配备有缓冲注水口(2)，用于消除液体注射时速度对试验小球(15)冲击的影响；

所述高速摄像图像采集模块用于记录所述单层颗粒群液体稳定持液、受扰动、渗流的完整过程，通过对记录的视频照片进行后续处理，得到颗粒群间液桥形式、液体分布规律、液体失稳渗流形式。

2.根据权利要求1所述的一种持液颗粒群间扰动渗流现象观测装置，其特征在于：所述高速摄像图像采集模块包括LED补光灯(10)、高速摄像机(11)、图像数据采集记录主机(13)；所述高速摄像机(11)正对所述前透明夹持面板(5)，视野界面保证整个单层颗粒群都处于摄像记录范围；所述图像数据采集记录主机(13)与所述高速摄像机(11)连接。

3.一种基于权利要求1所述持液颗粒群间扰动渗流现象观测试验装置的观测试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：依照试验方案在前透明夹持面板(5)与后透明夹持面板(6)之间排布球形颗粒(14)，形成单层颗粒群；通过铰固控制旋钮(4)将单层颗粒群夹持在前透明夹持面板(5)与后透明夹持面板(6)之间，并使两面板上的网格定位图层对齐，检查装置水密性；

步骤2：通过移液器(1)向单层颗粒群主体部分添加定量液体，所添加液体通过多支路均分流移液管(3)与缓冲注水口(2)近似准静态地进入单层颗粒群主体部分，所添加液体的体积即为初始持液量，计算得到初始饱和度；

步骤3：控制磁铁(16)使试验小球(15)在球形颗粒(14)之间排布间隙之间运动，为球形颗粒(14)之间持液处提供扰动，通过高速摄像图像采集模块拍摄记录整个单层颗粒群受扰渗流过程，试验完成后打开放水口(7)使水流入接水槽(9)中；

步骤4：对高速摄像图像采集模块记录的视频照片进行后续处理，得到颗粒群间液桥形式、液体分布规律、液体失稳渗流形式。