CN216014586U - 一种流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置，其包括：水箱(1)、可控流量供水泵(6)、颗粒罐(7)、水管(5)和三通(4)；水箱(1)底部中心具有喷口(8)，三通(4)分别通过水管连接喷口(8)、颗粒罐(7)和可控流量供水泵(6)。该装置利用流体作为介质，利用颗粒模拟火山碎屑，定量模拟火山喷发的锥体建造过程和火山灰云、火山喷发柱、火山碎屑流的形成和流动过程。

Description

一种流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置

技术领域

本实用新型涉及一种地理科研、科普、教学用的模拟装置，具体涉及一种流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置。

背景技术

在义务教育和科普活动的实践中，需要火山喷发模拟的实验装置对火山喷发的过程进行演示和讲解。

按照自然界火山喷发的现象，火山喷发分为宁静式喷发和爆炸性喷发。宁静式火山喷发即火山气体溢出和熔岩流溢出为主的喷发；爆炸性火山喷发会形成火山灰云、火山喷发柱、火山碎屑流等由火山碎屑(颗粒)组成的混合流体。这两种喷发的碎屑物(颗粒)都能够在火山口四周堆积形成火山锥。所以，火山喷发的自然现象主要涵盖了火山灰云、火山喷发柱、火山碎屑流、熔岩流等地表流体，并在火山喷发口周围形成这些流体的堆积物。因此，在实验室模拟/演示火山喷发的工作中，需要模拟两个方面的火山喷发过程，即1)火山锥体建造过程和2)火山地表流体的流动过程和堆积物。

在现有的专利中，将火山锥体直接设计成模型，例如公开号：CN212032525 (一种模拟火山喷发的实验教具)；CN211529462(地理教学用火山喷发演示装置)； CN210402884(一种简单实用的火山喷发模型)；CN208351804(一种用于地理教学的火山喷发演示装置)；CN205881293(一种中心式火山喷发的教学模拟装置) 等。这些专利中，最明显的构成部件是一个火山山体模型，并用不同的喷射技术从火山模型的火山口中喷射出流体。在这些设备中，有两点主要的缺点很难符合火山喷发的整个过程：1)忽略了火山锥体的建造过程；2)利用的喷射技术难以做到定量控制。

因此，在科学研究、科学普及和教学实践中需要一种火山喷发模拟装置，能够在物理学上模拟火山喷发活动的火山碎屑上升、在空中扩散、沿地表流动的自然现象。

实用新型内容

本实用新型提供一种流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置，利用流体作为介质，利用颗粒模拟火山碎屑，定量模拟火山喷发的锥体建造过程和火山灰云、火山喷发柱、火山碎屑流的形成和流动过程。

为实现上述目的，本实用新型包括如下技术方案：

一种流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置，其包括：水箱1、可控流量供水泵 6、颗粒罐7、水管5和三通4；

水箱1底部中心具有喷口8，三通4分别通过水管连接喷口8、颗粒罐7和可控流量供水泵6。

如上所述的装置，优选地，所述颗粒罐7中盛装颗粒物和流体。

如上所述的装置，优选地，所述三通4上具有两个阀门，分别为位于连接喷口8通路上的第一阀门41和连接颗粒罐7通路上的第二阀门42。

本实用新型的有益效果在于，该模拟装置利用可控制流量的水泵喷射动力和流体密度差，实现携带颗粒的流体从水箱底孔喷射/上浮到水箱中环境流体的不同高度，并形成颗粒从水箱不同高度向四周扩散、形成稳定维持的含颗粒柱状体、形成沿水箱底部流动的稳定含颗粒流体，从而在物理学上模拟了火山喷发活动的火山碎屑上升、在空中扩散、沿地表流动的自然现象，能够广泛应用于科学研究、科学普及和教学实践中。

附图说明

图1为实施例1的流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置结构示意图。

图2A为模拟火山喷发柱的效果图。

图2B为模拟形成火山灰云的效果图。

图2C为模拟喷发柱垮塌形成火山碎屑流过程的效果图。

图2D为模拟颗粒堆积成火山锥体的效果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

实施例1一种流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置

一、装置结构

如图1所示，该装置包括水箱1、可控流量供水泵6、颗粒罐7、水管5和三通4。

水箱1放置在底架2之上。水箱底部中心具有喷口8，该喷口由水箱底部开孔处镶嵌的钢管构成。颗粒罐7内盛装流体和颗粒物质，底架上具有固定托3，颗粒罐7放置在固定托3上。三通4通过水管分别连接喷口8、颗粒罐7和可控流量供水泵6。

三通4上具有两个阀门，分别为位于连接喷口8通路上的第一阀门41和连接颗粒罐7通路上的第二阀门42。

二、操作步骤

该装置在模拟演示中的操作步骤如下：

1.在供水泵中装满流体物质。

2.在水箱中填充三分之二的流体物质。

3.拆下颗粒罐，在颗粒罐中填充流体和颗粒物质，穿过固定托将颗粒罐与三通连接并拧紧。

4.打开电动供水泵和第一阀门，将进水量调节到稳定状态。

5.晃动颗粒罐，将颗粒与流体充分混合，形成悬浊液。

6.打开第二阀门，保持晃动颗粒罐。这时颗粒罐中的悬浊液将流经三通，并随水泵泵出的流体喷入到水箱中。

三、使用效果

在设备操作中，通过控制填充流体的密度和控制供水泵的流速/流量可以模拟以下火山喷发过程：

1)通过控制流体注入强度模拟火山喷发柱效果，如图2A所示。

2)通过控制流体注入强度和颗粒悬浊液的浓度，达到颗粒悬浊液在水箱的流体介质顶部、中上部向四周扩散，模拟火山灰云形成和扩散的自然现象，如图2B 所示。

3)通过控制流体注入强度和颗粒悬浊液的浓度，达到颗粒悬浊液在喷出口持续上升——垮塌，并沿水箱底部向四周扩散，模拟火山喷发柱垮塌、形成火山碎屑流的自然现象，如图2C所示。

4)通过控制流体注入强度，达到颗粒在喷出口四周较为集中地堆积，模拟火山锥体建造的自然现象，如图2D所示。

本实用新型的使用中，可以更换不同密度的流体。

以水为例，当供水泵和水箱中填充相同密度的水时，在设备两个阀门均开启之后，颗粒随泵出的水流喷射到水箱中，形成稳定的喷发柱(图2A)。这之后，可以通过控制供水泵流速/流量和颗粒罐输出的悬浊颗粒体积浓度改变实验效果。分为以下几种情况：

i)在流速/流量大(模拟火山喷发的初始能量大)时：①颗粒悬浊液输入低的情况下，能够模拟稳定的火山灰扩散过程(图2B)；②颗粒悬浊液输入高的情况下，能够模拟稳定的喷发柱垮塌、持续形成火山碎屑流的过程(图2C)。随着实验的持续进行，当颗粒罐中的颗粒消耗尽，颗粒会在喷出口周围形成中间凹陷的锥体形状(图2D)。

ii)另外，在流速/流量小(喷发初始能量小)时，没有足够的初始动能将颗粒带到水箱中部以上，颗粒也在喷出口周围形成中间凹陷的锥体形状(图2D)。

当供水泵和水箱中填充的流体密度不同时，模拟形成两种效果：

i)供水泵的流体密度小于水箱中的流体密度(例如：供水泵中的流体为酒精，水箱中的流体为水)时，喷出含有颗粒悬浊液的密度小于水箱中流体密度，会形成稳定的火山灰云(图2B)；

ii)颗粒悬浊液的密度大于水箱中流体的密度时，会形成稳定的喷发柱垮塌效果(图2C)。

本装置的优点在于，能够实现简单展示和定量研究两种用途。在地理(物理) 教学活动、科学普及活动中，定性地演示火山喷发所涉及到的喷发柱形成(图2A)，火山灰云形成与扩散(图2B)，喷发柱垮塌形成火山碎屑流(图2C)和火山锥体建造(图2D)等自然地质过程。

在基础研究中，本装置可以通过调节流体密度(包括颗粒浓度)、泵出流体流速、颗粒不同大小的质量百分比，详细研究爆炸性火山喷发的物理过程。调节流体密度和泵出流体流速，能够对火山喷发初始状态的模拟研究，涉及到火山喷发柱的初始喷发高度和火山灰云的扩散高度、扩散速度。调节不同颗粒大小的质量百分比，能够用于定量研究特定大小颗粒对模拟流体(火山喷发柱、火山灰云、火山碎屑流)运动行为和堆积的影响。

Claims (2)

1.一种流体驱动的爆炸性火山喷发模拟装置，其特征在于，其包括：水箱(1)、可控流量供水泵(6)、颗粒罐(7)、水管(5)和三通(4)；

水箱(1)底部中心具有喷口(8)，三通(4)分别通过水管连接喷口(8)、颗粒罐(7)和可控流量供水泵(6)。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三通(4)上具有两个阀门，第一阀门(41)位于与喷口(8)连接的通路上，第二阀门(42)位于与颗粒罐(7)连接的通路上。

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