【技术实现步骤摘要】
基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验系统及试验方法
[0001]本专利技术涉及水利及岩土工程试验
，特别涉及一种基于赫尔
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肖氏原理的流体与固体颗粒材料相互作用问题研究的试验系统及方法。
技术介绍
[0002]天然岩土体大多数为多相不连续介质，固体颗粒骨架之间存在的间隙为流体提供了储存和运动的场所，岩土体结构的响应是固体骨架与孔隙流体之间相互作用的结果，因此涉及到岩土体的研究往往需要考虑多场耦合相互作用。赫尔
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肖氏薄板试验仪器具有紧凑的结构及良好的可视化效果，但迄今为止，业内仅有基于赫尔
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肖氏理论的单纯流体的层流试验方法，对于考虑流固耦合运动的试验应用较少，且传统的赫尔
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肖氏试验方法和装置存在经济性差、可重复性低等显著缺陷，大大降低了试验的效率和试验结果的说服力，严重的影响了本领域的科研进步。
技术实现思路
[0003]针对上述现有技术，本专利技术提出一种基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验系统及方法，将可视性良好的赫尔
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肖氏薄板仪器应用于流固耦合试验中，并针对传统试验装置存在的效率低、可靠性差等问题，设计了一套具有经济、高效、精确等诸多优点的流固相互作用试验系统。利用该试验装置及方法，可以进行微观固体颗粒在流体驱动下的运动规律的试验，对提高本领域的试验水平具有显著的意义。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提出的一种基于赫尔
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验系统，其特征在于，包括赫尔
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肖氏薄板装置、制样装置、GDS标准体积控制器和激光辅助检测识别系统(400)；所述赫尔
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肖氏薄板装置采用板间距可调节的赫尔
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肖氏薄板(100)的结构或是由多个板间距不同的赫尔
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肖氏薄板构成；所述赫尔
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肖氏薄板装置用于提供试验指定厚度的密闭环境；所述制样装置包括饱和制样单元和干燥制样单元(300)；所述饱和制样单元用于向所述赫尔
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肖氏薄板中装填均匀的饱和薄层颗粒试样；所述干燥制样单元(300)用于向所述赫尔
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肖氏薄板中装填均匀的干燥薄层颗粒试样；所述GDS标准体积控制器用于控制在试验过程中以恒定的压力向所述赫尔
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肖氏薄板装置中注入液体或气体；所述激光辅助检测识别系统(400)基于透光度对所述赫尔
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肖氏薄板中的薄层颗粒试样进行检测，得到不同明暗程度分布的试验图片从而实现试样均匀性的标定和流固相互作用发展过程的可视化。2.根据权利要求1所述的基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验系统，其特征在于，所述板间距可调节的赫尔
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肖氏薄板(100)包括环形金属板(101)，所述环形金属板(101)的底部自下而上的设有第一内沿板和第二内沿板，所述第一内沿板的内径小于所述第二内沿板的内径，所述第一内沿板上自下而上的设有下有机玻璃板(110)和上有机玻璃板(105)；所述下有机玻璃板(110)的上面设有一个环形槽，所述环形槽内设有环形金属块(107)，所述环形金属块(107)与环形槽的侧壁之间设有海绵(114)；所述环形槽内沿周向均布有多个纵向螺纹孔，每个螺纹孔内均设有与所述环形金属块(107)底部接触的调整螺栓(109)；所述上有机玻璃板(105)与所述下有机玻璃板(110)之间通过周向均布的多个固定螺栓(104)实现非接触连接；所述第二内沿板的上表面低于所述下有机玻璃板(110)的上表面；所述下有机玻璃板(110)与所述第二内沿板的侧表面之间设有下密封圈(111)，所述上有机玻璃板(105)与所述环形金属板(101)的内表面之间设有上密封圈(103)；所述下有机玻璃板(110)与所述环形金属板(101)之间形成一环形的储水槽(102)；所述上有机玻璃板(105)设有通孔(106)，所述储水槽(102)的顶部设有多个出水排气口(113)，所述储水槽(102)的底部设有孔压传感器接口(108)和进水口(112)；每个出水排气孔(113)均配有旋塞和进水口(112)、孔压传感器接口(108)均设有堵塞。3.根据权利要求1所述的基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验系统，其特征在于，所述饱和制样单元包括供水瓶(208)、稳压瓶(209)、供颗粒瓶(210)和压力控制装置，所述压力控制装置包括第一空压机(201)、第二空压机(202)、压力控制器(203)、调压阀(204)、第一孔压计(205)和第二孔压计(206)；所述供水瓶(208)包括上盖板和下底板，所述供水瓶(208)的上盖板设有进气口，所述供水瓶(208)的进气口通过管路A2连接至第一空压机(201)的出气口，所述管路A2上、自所述第一空压机(201)的出气口至所述供水瓶(208)的进气口依次设有第一三通阀(212)、调压阀(204)和第二三通阀(213)；所述供水瓶(208)的下底板设有出水口，所述供水瓶(208)的出水口与管路B2的一端相连；
所述第一三通阀(212)和第二三通阀(213)分别连接出旁路C2和旁路D2，所述旁路C2连接至一压力控制器(203)；所述旁路D2连接有第一孔压计(205)；所述稳压瓶(209)包括上盖板和下底板，所述稳压瓶(209)的上盖板设有进气口，所述稳压瓶(209)的进气口通过管路E2与所述压力控制器(203)相连，所述管路E2上设有第三三通阀(214)，所述第三三通阀(214)连接出旁路F2，所述旁路F2连接有第二孔压计(206)；所述稳压瓶(209)的下底板设出水口；所述供颗粒瓶(210)包括上盖板、下底板和有机玻璃窗，所述供颗粒瓶(210)的上盖板设进水口和换气口；所述稳压瓶(209)的出水口连接至所述供颗粒瓶(210)的上部进水口，用于稳定供颗粒瓶(210)中上部压力；所述供颗粒瓶(210)的下底板设颗粒出口，所述颗粒出口与管路G2的一端相连；所述管路B2的另一端和管路G2的另一端通过第四三通阀(215)相连，所述第四三通阀(215)连接出旁路H2，所述旁路H2连接至赫尔肖板(1)的通孔(106)；所述供水瓶(208)用于向赫尔肖板(1)中提供固定压力的水流；在所述赫尔肖板(1)的边缘安装有振动器(211)，以使装填至赫尔肖板(1)的颗粒均匀密实；所述第一孔压计(205)和所述第二孔压计(206)电连至数据采集仪(207)；所述供水瓶(208)的进气口、所述供水瓶(208)的出水口、所述稳压瓶(209)的进气口、所述供颗粒瓶(210)的换气口、所述供颗粒瓶(210)的颗粒出口、所述振动器(211)的进气口均设有开关阀门。4.根据权利要求1所述的基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验系统，其特征在于，所述干燥制样单元(300)包括盛颗粒桶(308)和压力控制装置，所述盛颗粒桶(308)设有进气口和出口，所述盛颗粒桶(308)的出口连接有出颗粒管路，所述出颗粒管路上设有出颗粒阀门(310)；所述压力控制装置包括空压机(301)、压力控制器(302)和气体压力计(305)；所述空压机(301)的出口与所述压力控制器(302)的进气口相连，所述压力控制器(302)的出口处的管路上依次设有第一气阀门(303)和四通(304)，经过所述四通(304)后分为三路，一路是与所述盛颗粒桶(308)的进气口连通的管路A3，所述管路A3上设有第二气阀门(307)；另一路上设有气体压力计(305)，所述气体压力计(305)与数据采集仪(306)电连；还有一路是与所述盛颗粒桶(308)的出颗粒管路贯通的管路B3；所述管路B3与所述出颗粒管路并联于管路C3的一端，所述管路B3上、自所述四通(304)的出口至所述管路C3的一端依次设有流量计(309)和第三气阀门(311)；所述管路C3的另一端连接至所述赫尔
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肖氏薄板的通孔(106)。5.根据权利要求1所述的基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验系统，其特征在于，所述激光辅助检测识别系统(400)包括设置在密封摄影棚(401)内的赫尔
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肖氏薄板支架(407)，所述赫尔
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肖氏薄板支架(407)上放置有赫尔
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肖氏薄板，所述赫尔
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肖氏薄板的上方设置有无影灯(403)，所述赫尔
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肖氏薄板(1)的下方设有CCD相机(404)，所述CCD相机(404)连接至数据处理系统(408)；所述无影灯(403)可作为光源提供稳定平行的光束；所述无影灯(403)的高度根据所述赫尔
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肖氏薄板(1)的半径进行调整，以保证所述无影灯(403)射出光束的直径≥赫尔
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肖氏
薄板(1)的直径；所述赫尔
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肖氏薄板(1)的上下板空隙间装有标定厚度的干燥或饱和试样；所述CCD相机(404)采用型号为acA640
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90gm
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Basler ace的工业定制相机，所述CCD相机(404)的镜头冲向所述赫尔
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肖氏薄板(1)；所述CCD相机(404)的镜头轴线与所述赫尔
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肖氏薄板(1)的中心线重合；所述数据处理系统(408)包括安装在一台计算机中的Matlab软件和AlgolabPtVector图片处理软件，所述数据处理系统(408)接收、记录和处理来自于所述CCD相机(404)的数据。6.一种基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验方法，其特征在于，利用如权利要求2所述基于赫尔
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肖氏原理的流固相互作用试验系统，并包括以下步骤：步骤一、标定赫尔
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肖氏薄板(1)的板间距以确定试样的厚度；采用间距可调的赫尔
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肖氏薄板，在所述下有机玻璃板(110)四周边缘放置六片相同厚度的塞尺，将上有机玻璃板(105)盖上，用固定扭矩电动扳手转动所述六颗固定螺栓(104)以固定上下有机玻璃板；旋转调整螺栓(109)顶升所述环形金属块(107)，使之与上有机玻璃板(105)的下表面接触，顶升后使用0.01mm厚的塞尺进行检验以确保二者接触良好，完成标定间距工作；或是，采用多个板间距不同的赫尔
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肖氏薄板，根据所需试样的厚度选择相应固定板间距的赫尔
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肖氏薄板，用固定扭矩电动扳手转动所述六颗固定螺栓(104)固定上下有机玻璃板后，...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑刚，张晓凯，张天奇，邱惠敏，李汛，佟婧博，王佳琳，刁钰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
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