泥沙颗粒沉积模拟三维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三维试验装置和方法，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，并利用三维测量装置得到吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场。因为玻璃板的摆动时间不受限制，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。

Three-Dimensional Testing Device and Method for Sediment Particle Deposition Simulation

The invention provides a three-dimensional test device and method for simulating sediment particle deposition. The absorbent beads used to simulate sediment particles are added between two parallel glass plates in the test flume, and the power device is used to control the swing of two parallel glass plates, so that the absorbent beads move with the swing of the glass plates and simulate the sediment particles. In the process of deposition, the force environment and the water velocity field of the gap and displacement field of the absorbent beads were obtained by using a three-dimensional measuring device. Because the swing time of the glass plate is not limited, the time of movement of sediment particles affected by shear stress is not limited, which breaks through the limitation of time scale of sediment particle deposition law research, better simulates sediment particle deposition process, more accurate experimental data, and is conducive to the study of fluid velocity field on mud. The influence of the sediment law of sand particles.

【技术实现步骤摘要】
泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置和方法
本专利技术涉及泥沙颗粒沉积研究领域，尤其涉及一种用于研究抽水蓄能电站上下游水库泥沙沉积动力过程的泥沙颗粒沉积模拟试验装置和方法。
技术介绍
抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电，其将电网负荷低时的多余电能转变为电网高峰时期的高价值电能，应用十分广泛，但是，抽水蓄能电站的这种作业方式导致上下游水库频繁的往复潮流，从而导致泥沙被水流携带往复运动，影响泥沙的沉积方式；在携沙河流汇入水库后，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，想要解决抽水蓄能电站上下游水库库底泥沙沉积的问题，首先要明白抽水蓄能电站上下游水库在往复潮流的作用下，不同粒径的泥沙纵向沉积的动力过程。当前泥沙运动领域的物理试验一般是通过长水槽来实现的，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，因此泥沙颗粒运动研究的时间尺度受限，不能准确得到不同粒径的泥沙纵向沉积的动力过程，如何在泥沙运动试验领域，在保证实验效果的前提下，摆脱水槽的设计框架，突破时间尺度限制，是工程技术人员不断追求的方向。另外，常规用于研究泥沙运动规律的试验往往关注宏观的堆积规律，得到的流体速度场和泥沙的位移特征精确度不高。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置和方法，解决现有技术中泥沙颗粒运动研究的时间尺度受限导致不能准确得到不同粒径的泥沙纵向沉积的动力过程、得到的流体速度场和泥沙的位移特征精确度不高的问题。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三维试验装置，包括：试验水槽、动力装置以及三维测量装置；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；三维测量装置包括：激光粒子成像装置，包括：多组并排设置的光线照射装置以及一高速相机，多组所述光线照射装置的光路相互平行，所述高速相机用于获取所述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。一实施例中，每组光线照射装置均包括激光器以及光学转换装置；多组光线照射装置的激光器均设置于试验水槽的侧面，用于向试验水槽发射相互平行的多组激光束；多组光线照射装置的各光学转换装置均设置于对应激光器与试验水槽之间，用于将对应激光器发射的激光束转换成片光，以照射吸水珠和示踪粒子；高速相机位于试验水槽的正面或背面，用于拍摄位移图像，PC机连接高速相机，用于设置高速相机的拍摄频率，并接收高速相机拍摄的位移图像。一实施例中，光线照射装置为N组，N组光线照射装置的N个激光器轮流发射激光束，每个激光器的发射时间为t，停止时间为(N-1)t，高速相机的拍摄频率为1/t。一实施例中，高速相机的镜头上设有滤镜。一实施例中，光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向凹透镜、横向凹透镜以及三角透镜；纵向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；三角透镜用于对横向聚焦之后的激光光束进行扩散，得到片光。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：固定支架、两个驱动齿轮、两个无动力齿轮、动力齿轮、内外侧均带齿的传送带以及电机；电机连接动力齿轮，两个无动力齿轮与动力齿轮均固定于固定支架上，共同带动传送带传动；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，泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置还包括：角度测量器，角度测量器与动力齿轮传动连接，用于测量玻璃板的倾斜角度。一实施例中，泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置还包括：至少两个遮光板，遮光板可拆卸地设置于试验水槽的顶部和侧面。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三维试验装置，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；通过多组并排设置的光线照射装置中的多个激光器产生相互平行的多组激光束，通过对应的光学转换装置将多组激光束转换成多组相互平行并间隔预设距离的片光，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，计算多个不同截面中吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场；利用相邻截面的水速度场，计算截面法线方向的速度矢量。本专利技术提供的泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置和方法，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，利用动力装置带动试验水槽中的两块玻璃板左右摆动，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，来模拟在往复潮流作用下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，准确得到不同粒径的泥沙纵向沉积的动力过程，利于研究流体速度场对泥沙颗粒沉积规律的影响，与常规试验时采用的长水槽相比，减小了试验水槽的长度，进而减小了三维试验装置的占用空间。另外，本专利技术在试验水槽中加入示踪粒子，利用粒子成像测速(PIV)技术，通过高速相机和多组光线照射装置实时测量多个截面的示踪粒子和吸水珠的位移图像，对多个截面的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，用相邻截面的二维速度场，计算截面法线方向的速度分量，准确得到吸水珠缝隙的水速度场及吸水珠的位移场，实现了多截面三维实时监测。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三维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三维试验装置中的三维测量装置的俯视图；图3A为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置中的三维测量装置中一个光线照射装置的激光光路的正视图；图3B为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置中的三维测量装置中一个光线照射装置的激光光路的俯视图；图4为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟三维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三维试验装置的动力装置的侧视图；图6为本专利技术实施例泥沙颗粒沉积模拟三维试验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置，其特征在于，包括：试验水槽、动力装置以及三维测量装置；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；所述三维测量装置包括：激光粒子成像装置，包括：多组并排设置的光线照射装置以及一高速相机，多组所述光线照射装置的光路相互平行，所述高速相机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。

【技术特征摘要】
1.一种泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置，其特征在于，包括：试验水槽、动力装置以及三维测量装置；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；所述三维测量装置包括：激光粒子成像装置，包括：多组并排设置的光线照射装置以及一高速相机，多组所述光线照射装置的光路相互平行，所述高速相机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。2.根据权利要求1所述泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置，其特征在于，每组所述光线照射装置均包括激光器以及光学转换装置；多组光线照射装置的激光器均设置于所述试验水槽的侧面，用于向所述试验水槽发射相互平行的多组激光束；多组光线照射装置的各光学转换装置均设置于对应激光器与所述试验水槽之间，用于将对应激光器发射的激光束转换成片光，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PC机连接所述高速相机，用于设置所述高速相机的拍摄频率，并接收所述高速相机拍摄的所述位移图像。3.根据权利要求2所述泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置，其特征在于，所述光线照射装置为N组，N组光线照射装置的N个激光器轮流发射激光束，每个所述激光器的发射时间为t，停止时间为(N-1)t，高速相机的拍摄频率为1/t。4.根据权利要求2所述泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置，其特征在于，所述高速相机的镜头上设有滤镜。5.根据权利要求2所述泥沙颗粒沉积模拟三维试验装置，其特征在于，所述光学转换装置包括：沿光路方向依次设置的纵向凹透镜、横向凹透镜以及三角透镜；所述纵向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...

【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