CN208653979U - 一种颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种沉降实验中颗粒释放的装置，包括沉降容器以及置于沉降容器上方的颗粒磁性同步释放机构，颗粒磁性同步释放机构包括直流电源、水平操作架以及若干条颗粒磁性释放支路；各颗粒磁性释放支路相互并联后，两端分别与电源的正极、负极对应连接；每一条颗粒磁性释放支路均包括串联连接的失电电磁铁、整流二极管以及可变电阻器；水平操作架安装在沉降容器的上方，各失电电磁铁分布在水平操作架上。因此，本实用新型可以实现对金属颗粒的吸附和释放，有效消除颗粒释放时由于释放装置的移动对实验液体的扰动，并且可以精确控制多颗粒的同步释放，保证颗粒在实验液体中同时下落且初始速度为零，为获取优质实验数据奠定了基础。
Description
技术领域
本实用新型属于流体力学和泥沙运动力学研究领域，对多颗粒沉降室内实验方法做出了改进，具体涉及一种沉降实验中颗粒同步释放的装置。
背景技术
颗粒沉降的实验研究十分精细和严谨，要求对初始条件如多颗粒完全同时下落、颗粒释放时的初速度完全相同等进行严格的控制，以保证研究的可靠性。然而，颗粒沉降的初始条件往往难以精确的控制，比如无法保证多颗粒完全同时下落、颗粒释放时的初速度完全相同。
对于颗粒沉降的实验研究，有部分学者提出了一些颗粒释放装置，试图对初始条件进行严格的控制。
利用倾斜板和竖直挡板来释放颗粒，将竖直挡板向上抽出，颗粒在重力作用下沿倾斜板运动，最终在倾斜板底部被释放，该方法虽然简单但很不严谨，颗粒释放后具有水平方向的初速度。
利用两块开有槽孔的平板进行多颗粒释放，水平拖动下方平板，当上、下平板槽孔贯穿时，颗粒的以释放，该装置无法实现颗粒同步释放，必然使得一侧的颗粒先行下落。
利用巴斯德吸管吸住颗粒，通过向吸管内增加气压实现颗粒的释放，但增加气压的同时会给颗粒带来竖直方向的初速度。
利用“L形”机械装置和竖直挡板固定颗粒，通过水平移动“L形”机械装置实现了颗粒的同步释放，保证颗粒初速度为零，但该方法会使颗粒发生旋转，产生马格努斯升力。
利用精密的机械夹子实现颗粒的夹紧与释放，该方法虽然可以保证颗粒下落的同步性和初速度为零，但是由于颗粒及其释放装置安装于液面以下，夹子的移动会在液体中产生扰动，对流场造成影响。
实用新型内容
本实用新型的目的是准确控制颗粒沉降实验的初始条件，保证颗粒在实验液体中同时下落且初始速度(包括旋转角速度)为零，有效消除颗粒释放时由于释放装置的移动对实验液体的扰动，提高颗粒沉降实验的可靠性和严谨性，以获取优质的实验数据。
为实现前述实验效果，本实用新型采用一种沉降实验中颗粒释放的装置，包括装有实验液体的沉降容器以及置于沉降容器上方的颗粒同步释放机构，颗粒同步释放机构为颗粒磁性同步释放机构，包括直流电源、水平操作架以及若干条颗粒磁性释放支路；各颗粒磁性释放支路相互并联后，两端分别与电源的正极、负极对应连接；
每一条颗粒磁性释放支路均包括串联连接的失电电磁铁、整流二极管以及可变电阻器；
水平操作架安装在沉降容器的上方，各失电电磁铁分布在水平操作架上。
作为本实用新型的进一步改进，失电电磁铁包括导电线圈、软磁铁芯以及永磁体；永磁体呈空心状，软磁铁芯置于永磁体的空腔中；导电线圈缠绕于永磁铁芯外，且导电线圈通电产生的磁性磁极与永磁铁芯的磁极相反。
作为本实用新型的进一步改进，沉降容器上端敞口设置；水平操作架的断面呈U形状设置，且U形状断面的端部向外设置有端耳；
作为本实用新型的进一步改进，水平操作架通过端耳可纵向移动地安装在沉降容器的敞口端，且水平操作架的底部与沉降容器中实验液体的液面线存在间距；同时，所述的水平操作架，在每一个失电电磁铁安装的位置处，均布置一个横向设置的条形孔；
失电电磁铁的上端穿过条形孔后，通过可拆卸锁紧部件与水平操作架固紧；失电电磁铁的下端能够浸入沉降容器中实验液体的液面线以下。
所述的可拆卸锁紧部件为螺纹紧固件；所述永磁体具有与螺纹紧固件配合的外螺纹。
作为本实用新型的进一步改进，永磁铁为圆柱形，且永磁铁的直径小于金属颗粒的直径。
作为本实用新型的进一步改进，水平操作架一侧贴上毫米刻度纸。
作为本实用新型的进一步改进，失电电磁铁的导电线圈一端通过开关控制器与直流电源的正极连接，另一端依次与整流二极管、可变电阻器串联后，与直流电源的负极连接。
本实用新型的有益效果：
与现有技术相比：本实用新型通过若干失电电磁铁在通电瞬间磁力同时消退，保证了颗粒下落的同时性。在释放的瞬间颗粒完全保持静止，不会由于释放的过程产生初速度和初始旋转角速度。电磁释放装置是由电磁力控制颗粒的吸附与释放，释放装置不会发生任何移动，从而不会对实验液体产生扰动，液体的运动完全是由金属颗粒沉降运动引起的。
附图说明
图1为本实用新型提出的电磁颗粒释放装置的整体示意图
图2为本实用新型提出的电磁颗粒释放装置的电路连接图
图3为本实用新型提出的电磁颗粒释放装置中的电磁铁示意图(主视图)；
图4为本实用新型提出的电磁颗粒释放装置中的电磁铁示意图(剖视图)；
图5为使用普通电磁铁作为释放装置时的实验结果
图6为本实用新型效果检验——原始实验照片
图7为本实用新型效果检验——2个颗粒沉降过程中竖直方向位移随时间变化的关系图。
图1至7中：1-沉降筒，2-实验液体，3-液面线，4-金属沉降颗粒，5-水平操作架，6-失电电磁铁，7-固定螺丝和垫片，8-整流二极管，9-可变电阻器，10-24V直流电源，11-开关控制器，12-圆柱形永磁体，13-导电线圈，14-软磁铁芯。
具体实施方式
以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。
本实用新型采用一种沉降实验中颗粒释放的装置，包括装有实验液体的沉降容器以及置于沉降容器上方的颗粒同步释放机构，颗粒同步释放机构为颗粒磁性同步释放机构，包括直流电源、水平操作架以及若干条颗粒磁性释放支路；各颗粒磁性释放支路相互并联后，两端分别与电源的正极、负极对应连接；每一条颗粒磁性释放支路均包括串联连接的失电电磁铁、整流二极管以及可变电阻器；水平操作架安装在沉降容器的上方，各失电电磁铁分布在水平操作架上。
作为本实用新型的进一步改进，失电电磁铁包括导电线圈、软磁铁芯以及永磁体；永磁体呈空心状，软磁铁芯置于永磁体的空腔中；导电线圈缠绕于永磁铁芯外，且导电线圈通电产生的磁性磁极与永磁铁芯的磁极相反。
作为本实用新型的进一步改进，沉降容器上端敞口设置；水平操作架的断面呈U形状设置，且U形状断面的端部向外设置有端耳；
作为本实用新型的进一步改进，水平操作架通过端耳可纵向移动地安装在沉降容器的敞口端，且水平操作架的底部与沉降容器中实验液体的液面线存在间距；同时，所述的水平操作架，在每一个失电电磁铁安装的位置处，均布置一个横向设置的条形孔；
失电电磁铁的上端穿过条形孔后，通过可拆卸锁紧部件与水平操作架固紧；失电电磁铁的下端能够浸入沉降容器中实验液体的液面线以下。
所述的可拆卸锁紧部件为螺纹紧固件；所述永磁体具有与螺纹紧固件配合的外螺纹。
作为本实用新型的进一步改进，永磁铁为圆柱形，且永磁铁的直径小于金属颗粒的直径。
作为本实用新型的进一步改进，水平操作架一侧贴上毫米刻度纸。
作为本实用新型的进一步改进，失电电磁铁的导电线圈一端通过开关控制器与直流电源的正极连接，另一端依次与整流二极管、可变电阻器串联后，与直流电源的负极连接。
附图1至4公开了本实用新型的一个具体实施例，以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。
一种沉降实验中颗粒同步释放的装置，若干失电电磁铁与可变电阻器、整流二极管串联后，然后相互并联接入使用24V直流电源进行供电的电路，通过开关控制器进行整个电路的通电与断电。可变电阻器的作用是调整电磁线圈中电流的大小，使得通电时失电电磁铁的磁力完全退去；整流二极管的作用是避免通、断电瞬间电路中由于线圈自感效应产生的反向电流，实现单方向导电。
利用缠绕有导电线圈的软磁铁芯，制成若干普通电磁铁，同时为了避免普通电磁铁在断电时发生自感现象，由此产生的自感电流会阻碍电磁铁磁力的消退，使得电磁磁力无法瞬间消失。因此，在普通电磁铁的内部加上磁极相反的圆柱形永磁体，制成若干失电电磁铁。这些失电电磁铁完全相同，包括线圈匝数、铁芯尺寸、永磁体磁力以及电磁铁的尺寸，其效果刚好与普通电磁铁相反，即通电时磁力消除。
失电电磁铁尺寸应当小于金属颗粒直径，以实现颗粒在无初始间距(即颗粒紧密相邻)条件下的沉降实验。
失电电磁铁通过螺丝和垫片固定在水平操作架上，操作架水平安装于沉降筒的上方，在其一侧贴上毫米可刻度纸，用以精确调整电磁铁间距，从而实现改变金属颗粒初始间距的目的，电磁铁以及金属颗粒需要位于实验液体液面线以下，因此电磁铁必须做防锈和防水处理。
失电电磁铁可以通过调节螺丝的松紧在水平操作架上左右移动，水平操作架可以在沉降桶顶部前后移动，可以实现在垂直于重力的平面内任意位置释放颗粒。此外电磁铁底部至实验液体表面距离必须相同，以使颗粒初始位置处于同一水平面。
如图1、2所示，将若干失电电磁铁与可变电阻器、整流二极管串联后，并联接入电路，使用24V、1.1A的直流电进行供电，通过开关控制器控制整个电路的通电与断电。通过改变可变电阻器的电阻来调整每条支路上电磁铁线圈中电流的大小，实现通电时失电电磁铁的磁力完全退去。为了避免通、断电瞬间电路中由于线圈自感效应产生的反向电流，在电路中串联整流二极管，实现单方向导电。
本实施例中将普通电磁铁改进成效果相反的失电电磁铁，在通电时磁力消除，断电时磁力恢复，有效消除了由于自感现象产生的颗粒下落不同步问题，具体效果如图6所示。失电电磁铁具体原理是在普通电磁铁内部加上一个磁极相反的圆柱形永磁体，如图3、4所示。电磁铁尺寸应尽量小，满足电磁铁直径小于金属颗粒的直径，以实现颗粒无初始间距(即颗粒紧密相邻)条件下的沉降实验。
如图1所示，使用螺丝和垫片将电磁铁固定在水平操作架下方。水平操作架的材料为十分轻便且不易变形的有机玻璃，在操作架一侧贴上毫米刻度纸，用以精确调整电磁铁间距，从而改变颗粒初始间距。电磁铁部分淹没于在实验液体，因此电磁铁必须做防水和防锈处理。操作架安装于沉降筒上方，且与实验液体的液面保持平行，以保证其下方若干电磁铁的底部到液面的距离均相等，使得颗粒处于同一水平面。电磁铁可以通过调节螺丝的松紧在水平操作架上左右移动，水平操作架可以在沉降筒顶部前后移动，因此可以实现在垂直于重力的平面内任意位置释放颗粒。
按照既定的工况，改变电磁铁数量，左右调整电磁铁在水平操作架的位置，前后调整水平操作架的位置，将金属颗粒吸附在电磁铁底部。打开图像采集系统，同时将开关控制器置于通电状态，此时颗粒将同时且无初速度的被释放。由于在通电的瞬间所有失电电磁铁的磁力同时完全消退，确保了多颗粒的同时下落；并且颗粒在释放的瞬间完全保持静止，不会产生初速度和初始旋转；此外，电磁颗粒释放装置始终保持静止，不会对实验液体产生任何扰动，液体的流场变化完全是由颗粒沉降的运动引起的。
为了检验本实用新型的可靠性，通过帧率高达560帧的高速相机对双颗粒沉降过程进行拍摄，如图5所示。图5中相邻2张图片的时间间隔是0.08s，由图可知，2个颗粒始终处于同一水平面，并且颗粒间相互作用为排斥力，与前人研究的结论相同。利用图像处理技术，得到2个颗粒沉降过程中竖直方向位移随时间变化的关系图(图6)，由图可知，2条线几乎完全重合，证明颗粒沉降的同步性很好，可以认为颗粒是同时被释放的。因此，可以认为本实用新型保证了颗粒沉降实验的初始条件严格可控。
以上结合附图和具体实施例对本实用新型的实施方式做了详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本实用新型的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围内。
Claims (8)
1.一种颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置，包括装有实验液体的沉降容器以及置于沉降容器上方的颗粒同步释放机构，其特征在于：颗粒同步释放机构为颗粒磁性同步释放机构，包括直流电源、水平操作架以及若干条颗粒磁性释放支路；各颗粒磁性释放支路相互并联后，两端分别与电源的正极、负极对应连接；
每一条颗粒磁性释放支路均包括串联连接的失电电磁铁、整流二极管以及可变电阻器；
水平操作架安装在沉降容器的上方，各失电电磁铁分布在水平操作架上。
2.根据权利要求1所述的颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置，其特征在于：失电电磁铁包括导电线圈、软磁铁芯以及永磁体；永磁体呈空心状，软磁铁芯置于永磁体的空腔中；导电线圈缠绕于永磁铁芯外，且导电线圈通电产生的磁性磁极与永磁铁芯的磁极相反。
3.根据权利要求2所述的颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置，其特征在于：沉降容器上端敞口设置；水平操作架的断面呈U形状设置，且U形状断面的端部向外设置有端耳；
水平操作架通过端耳可纵向移动地安装在沉降容器的敞口端，且水平操作架的底部与沉降容器中实验液体的液面线存在间距；同时，所述的水平操作架，在每一个失电电磁铁安装的位置处，均布置一个横向设置的条形孔；
失电电磁铁的上端穿过条形孔后，通过可拆卸锁紧部件与水平操作架固紧；失电电磁铁的下端能够浸入沉降容器中实验液体的液面线以下。
4.根据权利要求3所述的颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置，其特征在于：所述的可拆卸锁紧部件为螺纹紧固件；所述永磁体具有与螺纹紧固件配合的外螺纹。
5.根据权利要求2所述的颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置，其特征在于：永磁铁为圆柱形，且永磁铁的直径小于金属颗粒的直径。
6.根据权利要求1所述的颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置，其特征在于：水平操作架一侧贴上毫米刻度纸。
7.根据权利要求2所述的颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置，其特征在于：失电电磁铁的导电线圈一端通过开关控制器与直流电源的正极连接，另一端依次与整流二极管、可变电阻器串联后，与直流电源的负极连接。
8.根据权利要求1所述的颗粒沉降实验中颗粒同步释放的装置，其特征在于：所述水平操作架采用有机玻璃制成。
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