一种不规则形态颗粒液体中沉降速度的测试装置与方法
阅读说明：本技术 一种不规则形态颗粒液体中沉降速度的测试装置与方法 (Device and method for testing sedimentation velocity in irregular-form particle liquid ) 是由 吴昊 单治钢 倪卫达 于 2021-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种不规则形态颗粒液体中沉降速度的测试装置与方法,包括恒温箱(5),恒温箱(5)内设置圆柱形储液筒(2),圆柱形储液筒(2)筒内配置不同体积浓度的甘油水溶液(1),圆柱形储液筒(2)在上部设置电磁夹片(3)设备,电磁夹片(3)设备能够装载不规则形态颗粒(10),所述恒温箱(5)的内壁上设置非接触式的测量系统。本发明通过配置不同体积分数的甘油水溶液模拟液体的不同的粘滞力,进而模拟广域区间范围的颗粒雷诺数,同时解决外部温度环境和颗粒人为释放因素带来的测试误差。(The invention provides a device and a method for testing the sedimentation velocity in irregular-shaped particle liquid, which comprises a constant temperature box (5), wherein a cylindrical liquid storage cylinder (2) is arranged in the constant temperature box (5), glycerol aqueous solutions (1) with different volume concentrations are configured in the cylindrical liquid storage cylinder (2), an electromagnetic clamping piece (3) device is arranged at the upper part of the cylindrical liquid storage cylinder (2), the electromagnetic clamping piece (3) device can be used for loading irregular-shaped particles (10), and a non-contact type measuring system is arranged on the inner wall of the constant temperature box (5). According to the invention, different viscous forces of liquid are simulated by configuring glycerol aqueous solutions with different volume fractions, so that the Reynolds number of particles in a wide area interval range is simulated, and meanwhile, test errors caused by external temperature environment and artificial release factors of the particles are solved.)
技术领域
本发明涉及岩土工程及工程地质技术领域，具体涉及一种不规则形态颗粒液体中沉降速度的测试装置与方法。
背景技术
不规则岩土体颗粒物质是工程(如南海岛礁填筑、高坝建造等)常用到的岩土材料，这类材料的渗透性很大程度上决定着地基的固结与沉降或工程构造物的渗流特征。而拖曳力系数是表征流体对土体颗粒表面力的主要参数，亦是流固耦合数值模拟中的关键参数，但目前国内外针对不规则形态颗粒拖曳力系数的研究十分有限。
中国实用新型专利CN208313762U公开了一种泥沙颗粒沉降过程图像采集系统，提出了解决打光不足和打光偏差等问题的方法；中国发明专利CN109946205A公开了一种钻屑颗粒沉降曳力系数的测试方法，但仍未有效解决颗粒自动在液体中垂直下落的技术难点。
综上所述，目前公开的有关颗粒液体中最终沉降速度的测试方法，仍未有效解决颗粒自然下落、速度场测量等技术难题，尚未见有关不规则形态颗粒的沉降速度测定方法，也未见考虑不同颗粒雷诺数的颗粒最终沉降速度测量方法，此外，由于环境温度对颗粒沉降速度也具有一定影响，因此为保证试验精度，测试过程中恒温环境的问题也不容忽视。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种不规则形态颗粒液体中沉降速度的测试装置。本发明通过配置不同体积分数的甘油水溶液模拟液体的不同的粘滞力，进而模拟广域区间范围的颗粒雷诺数，同时解决外部温度环境和颗粒人为释放因素带来的测试误差。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一种不规则形态颗粒液体中沉降速度的测试装置与方法，其特征在于：包括恒温箱，恒温箱内设置圆柱形储液筒，圆柱形储液筒筒内配置不同体积浓度的甘油水溶液，圆柱形储液筒在上部设置电磁夹片设备，电磁夹片设备能够装载不规则形态颗粒，所述恒温箱的内壁上设置非接触式的测量系统。
进一步的：所述电磁夹片设备包括设置在圆柱形储液筒上部的两块电磁夹片，两块电磁夹片之间能够装载不规则形态颗粒，两块电磁夹片外接供电箱。
进一步的：所述恒温箱内设置LED补光灯，恒温箱的温度调节范围为4℃～30℃，最小调节量为1℃。
进一步的：两块所述电磁夹片装载于一块平台上，平台置于圆柱形储液筒的上方，两块电磁夹片在平台上能够左右移动。
进一步的：所述非接触式的测量系统包括第一工业相机和第二工业相机，第一工业相机和第二工业相机在恒温箱内壁上呈上下布置，并且第一工业相机和第二工业相机的摄像头均正对于圆柱形储液筒。
进一步的：所述非接触式的测量系统包括激光仪，所述激光仪位于恒温箱的内壁上，布置位置能够保证激光剖面正好穿过不规则形态颗粒所在剖面。
进一步的：所述圆柱形储液筒由有机玻璃材质制作而成。
本发明第二个目的在于提供一种不规则形态颗粒液体中沉降速度的测试方法，本发明采用以下技术方案：先制作好上述所述的测试装置，本发明采用如下步骤进行测试：
S1、在圆柱形储液筒筒内配置甘油水溶液，甘油水溶液沿着圆柱形储液筒筒壁注入，并装满圆柱形储液筒；
S2、将不规则形态颗粒装载于两块电磁夹片之间，并调整供电箱输出的电流，使得两块电磁夹片的夹具力能完全夹紧不规则形态颗粒，并将不规则形态颗粒静止在S1步骤中配置完成的甘油水溶液中；
S3、设定恒温箱内的温度在4～30摄氏度之间，并将测试装置静置12小时；
S4、测试装置静置12小时后，打开非接触式测量采集系统的激光仪、第一工业相机和第二工业相机，准备采集数据；
S5、关闭供电箱，使得不规则形态颗粒在甘油水溶液中自动自由下落，不规则形态颗粒下落时，非接触式测量采集系统进行数据的采集；
S6、完成数据采集，在圆柱形储液筒筒内重新配置不同体积分数的甘油水溶液，重复步骤S2～S5，直至完成所有不同体积分数配比的甘油水溶液的试验。
进一步的：所述甘油水溶液的配比原则：甘油水溶液内甘油与水的体积比的区间为60％～100％，从60％的配比开始，每增加5％的甘油体积配制一种甘油水溶液。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明针对目前颗粒水中最终沉降速度测量中初始速度无法归零、测试环境温度不稳定以及数据采集困难的问题，通过配置不同体积分数的甘油水溶液模拟液体的不同的粘滞力，进而模拟广域区间范围的颗粒雷诺数，并通过配置非接触式的测量系统对试验数据进行采集，同时还解决外部温度环境和颗粒人为释放因素带来的测试误差。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的方法流程图。
附图标记：1-甘油水溶液；2-圆柱形储液筒；3-电磁夹片；4-供电箱；5-恒温箱；6-第一工业相机；7-第二工业相机；8-LED补光灯；9-激光仪；10-不规则形态颗粒；11-平台。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
如图1至2所示，一种不规则形态颗粒10液体中沉降速度的测试装置与方法，包括恒温箱5，恒温箱5能够维持试验环境恒定温度，消除温度条件对规则颗粒沉降速度的影响，恒温箱5内设置圆柱形储液筒2，圆柱形储液筒2筒内配置不同体积浓度的甘油水溶液1，配置不同体积浓度的甘油水溶液1用以模拟不同流体粘滞力系数，进而得到广域的颗粒雷诺数区间，颗粒雷诺数区间范围约为0.01～1000，圆柱形储液筒2在上部设置电磁夹片3设备，电磁夹片3设备能够装载不规则形态颗粒10，所述恒温箱5的内壁上设置非接触式的测量系统。
所述电磁夹片3设备包括设置在圆柱形储液筒2上部的两块电磁夹片3，两块电磁夹片3之间能够装载不规则形态颗粒10，两块电磁夹片3外接供电箱4，供电箱4固定于恒温箱5的内壁上，所述供电箱4为36V供电箱4，电源调节按钮安装于恒温箱5的外壳上。
所述恒温箱5内设置LED补光灯，LED补光灯为恒温箱5提供补光，布置在恒温箱5的顶部，其光亮度需满足图像测量方法对光亮度的要求，一般选择60瓦白炽灯，恒温箱5的温度调节范围为4℃～30℃，最小调节量为1℃。所述恒温箱5的内部空间能够满足装载所有试验设备，恒温箱5的长度为1000mm，宽度为1000mm，高度为1800mm。
两块所述电磁夹片3装载于一块平台11上，平台11置于圆柱形储液筒2的上方，两块电磁夹片3均由铁片制作而成，呈圆柱状，并加工螺纹。在平台11上设置一条宽度与圆柱形电磁夹片3直径相同的条形槽，电磁夹片3装载于平台11上后，分别在平台11上下两端拧上螺母，保证电磁夹片3在平台11上不能上下移动。当需要左右移动电磁夹片3时候，只需要松开位于平台11下的螺母，移动到预定位置后，再拧紧螺母固定即可。
所述非接触式的测量系统包括第一工业相机6和第二工业相机7，第一工业相机6和第二工业相机7在恒温箱5内壁上呈上下布置，第一工业相机6和第二工业相机7的间距为500mm，并且第一工业相机6和第二工业相机7的摄像头均正对于圆柱形储液筒2。
所述非接触式的测量系统还包括激光仪9，所述激光仪9位于恒温箱5的内壁上，布置位置能够保证激光剖面正好穿过不规则形态颗粒10所在剖面。所述激光仪9为粒子图像测速法测量提供激光剖面。
所述圆柱形储液筒2由有机玻璃材质制作而成，能保证一定的透光性。所述的圆柱形储液筒2内径为500mm，高度为1500mm，圆柱形储液筒2能够提供足够的空间供不规则形态颗粒10达到稳定沉降速度。
综上，本发明所提供的一种不规则形态颗粒10液体中沉降速度的测试方法，包括如下步骤：先制作好上述的测试装置；
S1、在圆柱形储液筒2筒内配置甘油水溶液1，甘油水溶液1沿着圆柱形储液筒2筒壁注入，并装满圆柱形储液筒2，使甘油水溶液1没过不规则形态颗粒10；
S2、将不规则形态颗粒10装载于两块电磁夹片3之间，并调整供电箱4输出的电流，使得两块电磁夹片3的夹具力能完全夹紧不规则形态颗粒10，并将不规则形态颗粒10静止在S1步骤中配置完成的甘油水溶液1中；
S3、恒温箱5内设定一个恒定温度，恒定温度在4～30摄氏度之间，并将测试装置静置12小时；
S4、测试装置静置12小时后，打开非接触式测量采集系统的激光仪9、第一工业相机6和第二工业相机7，准备采集数据；
S5、关闭供电箱4，使得不规则形态颗粒10在甘油水溶液1中自动自由下落，不规则形态颗粒10下落时，非接触式测量采集系统进行数据的采集；
S6、完成数据采集，在圆柱形储液筒2筒内重新配置不同体积分数的甘油水溶液1，重复步骤S2～S5，直至完成所有不同体积分数配比的甘油水溶液1的试验。
所述甘油水溶液1的配比原则：甘油水溶液1内甘油与水的体积比的区间为60％～100％，从60％的配比开始，每增加5％的甘油体积配制一种甘油水溶液1。
通过调节供电箱4输出的电流大小，从而改变电磁夹片3之间的电磁力，进而依靠不规则形态颗粒10的自重开始向圆柱形储液筒2下部进行沉降，克服了人为释放不规则形态颗粒10引起的初始速度带来的误差，避免了人为释放不规则形态颗粒10带来的干扰。
所述不规则形态颗粒10的沉降速度和颗粒附近的流场，可以采用粒子图像测速法和近景摄影测量方法联合测定，基于近景摄影测量方法能够标定被测对象在空间坐标系和相片坐标系之间的定量关系，得到颗粒的沉降速度，基于粒子图像测速法能够得到不规则形态颗粒10附近流场的变化；不规则形态颗粒10的沉降速度获取方法如下所述：
1、近景摄影测量方法，是采用第一工业相机6和第二工业相机7对同一被测对象(即不规则形态颗粒10)进行拍照，得到不规则形态颗粒10在第一工业相机6和第二工业相机7中同一时刻中的照片坐标，并基于近景摄影测量方法反算这一时刻不规则形态颗粒10的空间坐标。由第一工业相机6和第二工业相机7可得到多个时刻不规则形态颗粒10的空间坐标，进而可以由坐标差除以时间差得到不规则形态颗粒10的速度。
2、粒子图像测速法，是指在甘油水溶液1中均匀布设反光的示踪粒子，激光仪9发射一束通过不规则形态颗粒10周围的激光，基于粒子图像测速法分析不同时刻下甘油水溶液1中的示踪粒子位置，得到颗粒附近的流场变化。
依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种不规则形态颗粒液体中沉降速度的测试装置与方法，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。