泥沙颗粒沉积模拟试验装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种泥沙颗粒沉积模拟试验装置和方法，将用于模拟泥沙颗粒的吸水珠加入试验水槽中平行的两块玻璃板之间，并采用动力装置控制两块平行玻璃板左右摆动，使吸水珠随玻璃板的摆动而运动，模拟泥沙颗粒沉积过程中的受力环境，突破了泥沙颗粒沉积规律研究的时间尺度的限制，另外，激光器发出的激光束经过横向凹透镜、纵向短焦凹透镜、纵向长焦凹透镜、折射镜、三角透镜处理后，转换成片光照射吸水珠和示踪粒子，得到位移图像，处理后得到吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场，利用上述光路减少了片光的杂散光，使得图像更清晰，进而使最终得到的计算结果更准确。

Sediment Particle Deposition Simulated Test Device and Method

The invention provides a simulation test device and method for sediment particle deposition. The absorbent beads used to simulate sediment particles are added between two parallel glass panels in the test flume, and the power device is used to control the swing of two parallel glass panels, so that the absorbent beads move with the swing of the glass panels and simulate sediment particle deposition. In addition, the laser beam emitted by the laser is transformed into sheet light to irradiate absorbent beads and tracer particles after being processed by transverse concave lens, longitudinal short focal concave lens, longitudinal long focal concave lens, refractor and triangular lens, and the displacement is obtained. After image processing, the water velocity field and displacement field of the absorbent bead gap are obtained, and the stray light of the sheet light is reduced by using the above light path, which makes the image clearer and makes the final calculation result more accurate.

【技术实现步骤摘要】
泥沙颗粒沉积模拟试验装置和方法
本专利技术涉及泥沙颗粒研究领域，尤其涉及一种往复潮流作用下的水库大颗粒泥沙沉积模拟试验装置和方法。
技术介绍
水库库底泥沙沉积是水库维护和运行中亟待解决的重要问题。水库泥沙沉积的特点在于，河流携带的大颗粒泥沙较多，在河流汇入水库后，水流流速减缓，输沙能力降低，其携带的大颗粒泥沙就部分或全部的在水库库底沉积。在自然界的观察中通常发现，泥沙的沉积中出现小颗粒泥沙沉积到更底层，大颗粒泥沙相对位置靠上的特点。而导致这种普遍规律的原因却不清晰，而该规律对于人类对泥沙沉积的打捞和治理具有重要意义。水库库底泥沙沉积的特点在于，大型水库，尤其是山区水库或高山堰塞湖，往往有多条水源汇入，而不同水源因流量不同会导致水库内携沙水体形成往复潮流，往复潮流的出现又增加了对泥沙沉积的研究难度。泥沙运动领域的物理试验一般是通过室内长水槽来实现的，而受室内空间大小的限制无法建立无限长的水槽，泥沙在水槽首端进入水槽后，在很短的时间内就被流水携带到水槽尾端，导致很难通过试验研究泥沙颗粒到沉积特性，而泥沙的沉积是长时间运动的结果，因此泥沙颗粒运动研究的时间尺度受限成为本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种泥沙颗粒沉积模拟试验装置和方法，解决无法建立无限长的水槽导致泥沙颗粒沉积规律研究的时间尺度受限的问题。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种泥沙颗粒沉积模拟试验装置，包括：试验水槽、动力装置以及测量装置；试验水槽中设置有两块玻璃板以及位于两块玻璃板之间的若干吸水珠及示踪粒子；玻璃板与试验水槽的底部始终接触，并且玻璃板长度等于试验水槽的宽度；动力装置连接两块玻璃板，可带动两块玻璃板同步摆动，两块玻璃板在摆动过程中始终相互平行；测量装置包括：激光粒子成像装置，用于获取吸水珠及示踪粒子的位移图像；PC，连接激光粒子成像装置，接收位移图像，并根据位移图像计算吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场；其中，激光粒子成像装置包括：激光器、光学转换装置以及高速相机；光学转换装置设置于激光器与试验水槽之间，用于将激光束转换成片光，以照射吸水珠和示踪粒子；光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向短焦凹透镜、横向凹透镜、折射镜、纵向长焦凹透镜以及三角透镜；纵向短焦凹透镜用于对激光光束纵向聚焦；横向凹透镜用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦；折射镜用于将横向聚焦之后的激光光束折射至所述纵向长焦凹透镜；纵向长焦凹透镜用于对折射之后的激光光束进行纵向聚焦；三角透镜用于对纵向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到片光。一实施例中，激光器设置于试验水槽的上方，用于向试验水槽发射激光束；高速相机位于试验水槽的正面或背面，用于拍摄位移图像，高速相机连接PC机。一实施例中，高速相机的镜头上设有滤镜。一实施例中，动力装置包括：驱动装置以及与其连接的两个连接轴，每一连接轴分别连接其中一个玻璃板。一实施例中，驱动装置包括：两个驱动齿轮、一个电动齿轮、一个手动齿轮以及内外侧均带齿的传送带；电动齿轮连接电源线，电动齿轮和手动齿轮中的一者带动传送带传动；两个驱动齿轮分别连接其中一个连接轴，并与传送带的齿相啮合以驱动连接轴，带动玻璃板摆动。一实施例中，试验水槽的底部设置有孔，连接轴穿过孔之后与对应的玻璃板连接，孔与连接轴的连接部位采用硅胶密封。一实施例中，泥沙颗粒沉积模拟试验装置还包括：钢丝绳，用于悬挂试验水槽以及激光粒子成像装置。一实施例中，泥沙颗粒沉积模拟试验装置还包括：固定支架，固定支架固定在钢丝绳上；固定支架用于固定光学转换装置、激光器以及高速相机。一实施例中，试验水槽的侧面设置入水口及溢水口，试验水槽底面设置出水口；其中，入水口设置在试验水槽侧面的顶部。本专利技术还提供一种泥沙颗粒沉积模拟试验方法，采用上述泥沙颗粒沉积模拟试验装置，包括：将不同粒径的吸水珠在水中浸泡设定时间，使其充分吸水膨胀；将示踪粒子及浸泡后的吸水珠按预定比例置于试验水槽中两块平行的玻璃板之间；将试验水槽中注入清水，使水面至少淹没吸水珠顶部；通过动力装置带动两块玻璃板同步摆动；通过激光器产生激光束；光学转换装置将激光束转换成片光后照射吸水珠及示踪粒子；采用高速相机于试验水槽前或后侧按预定拍摄频率拍摄吸水珠及示踪粒子的位移图像，并传输至PC；PC利用图像处理技术，对接收的位移图像进行互相关分析，计算吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场。本专利技术提供了一种泥沙颗粒沉积模拟试验装置和方法，使用与水折射率相同的吸水珠模拟不同粒径的泥沙颗粒，加入试验水槽中平行的两块玻璃板之间，并采用动力装置控制两块平行玻璃板左右摆动，使吸水珠随玻璃板的摆动而运动，相当于利用两块平行玻璃板摆动对吸水珠施加剪应力，来模拟泥沙颗粒沉积过程中的受力环境，因为玻璃板的摆动时间不受限制，可以设定为任意时间，所以泥沙颗粒受剪应力影响进行运动的时间也不受限制，进而突破了泥沙颗粒沉积规律研究的时间尺度的限制，更好地模拟了泥沙颗粒的沉积过程，试验数据更准确，利于研究流体速度场对泥沙颗粒沉积规律的影响。并且，本专利技术通过试验水槽中的两个摆动的玻璃板在长时间尺度上模拟泥沙颗粒所受剪应力环境，与常规试验时采用的长水槽相比，减小了试验水槽的长度，进而减小了试验装置的占用空间。另外，本专利技术通过在试验水槽中加入示踪粒子，利用粒子成像测速(PIV)技术，用激光束转换成的片光照射示踪粒子和吸水珠，配合高速相机按预定拍摄规律拍摄一组示踪粒子和吸水珠的位移图像，然后，对一组位移图像进行互相关分析，得出示踪粒子和吸水珠的位移规律，结合拍摄的时间间隔，计算出示踪粒子的移动速度以及泥沙颗粒的位移特征，由此，利于准确研究流体速度场对泥沙颗粒沉积规律的影响。并且，本专利技术的激光器发出的激光束经过横向凹透镜、纵向短焦凹透镜、纵向长焦凹透镜、折射镜、三角透镜处理后，转换成片光照射吸水珠和示踪粒子，利用上述光路减少了片光的杂散光，使得图像更清晰，进而使最终得到的计算结果更准确。为让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟试验装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟试验装置中的测量装置的激光光路的的正视图；图3为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟试验装置中的测量装置的高速相机与计算机连接结构示意图；图4为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟试验装置的动力装置的正视图；图5为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟试验装置的动力装置中传送带与驱动齿轮配合图；图6为本专利技术实施例一种泥沙颗粒沉积模拟试验方法的流程图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。当前泥沙颗粒运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种泥沙颗粒沉积模拟试验装置，其特征在于，包括：试验水槽、动力装置以及测量装置；所述试验水槽中设置有两块玻璃板以及位于两块所述玻璃板之间的若干吸水珠及示踪粒子；所述玻璃板与所述试验水槽的底部始终接触，并且所述玻璃板长度等于所述试验水槽的宽度；所述动力装置连接两块所述玻璃板，可带动两块所述玻璃板同步摆动，两块所述玻璃板在摆动过程中始终相互平行；所述测量装置包括：激光粒子成像装置，用于获取所述吸水珠及示踪粒子的位移图像；PC，连接所述激光粒子成像装置，接收所述位移图像，并根据所述位移图像计算所述吸水珠缝隙的水速度场及所述吸水珠的位移场；其中，所述激光粒子成像装置包括：激光器、光学转换装置以及高速相机；所述光学转换装置设置于所述激光器与所述试验水槽之间，用于将所述激光束转换成片光，以照射所述吸水珠和所述示踪粒子；所述光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向短焦凹透镜、横向凹透镜、折射镜、纵向长焦凹透镜以及三角透镜；所述纵向短焦凹透镜用于对激光光束纵向聚焦；所述横向凹透镜用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦；所述折射镜用于将横向聚焦之后的激光光束折射至所述纵向长焦凹透镜；所述纵向长焦凹透镜用于对折射之后的激光光束进行纵向聚焦；所述三角透镜用于对纵向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到所述片光。...

【技术特征摘要】
1.一种泥沙颗粒沉积模拟试验装置，其特征在于，包括：试验水槽、动力装置以及测量装置；所述试验水槽中设置有两块玻璃板以及位于两块所述玻璃板之间的若干吸水珠及示踪粒子；所述玻璃板与所述试验水槽的底部始终接触，并且所述玻璃板长度等于所述试验水槽的宽度；所述动力装置连接两块所述玻璃板，可带动两块所述玻璃板同步摆动，两块所述玻璃板在摆动过程中始终相互平行；所述测量装置包括：激光粒子成像装置，用于获取所述吸水珠及示踪粒子的位移图像；PC，连接所述激光粒子成像装置，接收所述位移图像，并根据所述位移图像计算所述吸水珠缝隙的水速度场及所述吸水珠的位移场；其中，所述激光粒子成像装置包括：激光器、光学转换装置以及高速相机；所述光学转换装置设置于所述激光器与所述试验水槽之间，用于将所述激光束转换成片光，以照射所述吸水珠和所述示踪粒子；所述光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向短焦凹透镜、横向凹透镜、折射镜、纵向长焦凹透镜以及三角透镜；所述纵向短焦凹透镜用于对激光光束纵向聚焦；所述横向凹透镜用于对纵向聚焦之后的激光光束进行横向聚焦；所述折射镜用于将横向聚焦之后的激光光束折射至所述纵向长焦凹透镜；所述纵向长焦凹透镜用于对折射之后的激光光束进行纵向聚焦；所述三角透镜用于对纵向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到所述片光。2.根据权利要求1所述泥沙颗粒沉积模拟试验装置，其特征在于，所述激光器设置于所述试验水槽的上方，用于向所述试验水槽发射激光束；所述高速相机位于试验水槽的正面或背面，用于拍摄所述位移图像，所述高速相机连接所述PC机。3.根据权利要求2所述泥沙颗粒沉积模拟试验装置，其特征在于，所述高速相机的镜头上设有滤镜。4.根据权利要求1所述泥沙颗粒沉积模拟试验装置，其特征在于，所述动力装置包括：驱动装置以及与其连接的两个连接轴，每一所述连接轴分别连接其中一个所述玻璃板。5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑雪琴，戴江鸿，杜雅楠，李佳霖，兰柏，潘凌，陈瑞，董阳伟，卢伟甫，孙晓霞，于珊，孙慧芳，曹佳丽，章亮，赵强，唐拥军，
申请(专利权)人：国家电网有限公司，国网新源控股有限公司，国网新源控股有限公司技术中心，国网新源控股有限公司检修分公司，
类型：发明
国别省市：北京,11