本发明专利技术公开一种沉降球相互作用的自控试验装置，该装置包括水平试验管、染色球、同步落球装置、高速摄像系统、试验球收集装置、集水漏斗、回水管路、蓄水池、变频水泵、进水管、储水箱、溢流闸门和整流板。染色球经同步落球装置入试验管随流运动和沉降；高速摄像系统实时拍摄染色球沉降运动图像，经图像处理获染色球运动轨迹并分析沉降过程中相互作用；试验球收集装置于试验管下游捕获染色球，水流由回水管路进入蓄水池，再由变频泵抽入储水箱；溢流闸门升降按水箱水面与试验管心的水头差控制，多余水流经闸门溢出，确保试验管内均匀流。本装置可模拟固液二相流动，观测多球体随水流运动轨迹和沉降时相互作用，精度高、造价低和操作简单。单。单。
【技术实现步骤摘要】
一种沉降球相互作用的自控试验装置
[0001]本专利技术属于水利工程和流体力学领域，具体涉及一种沉降球相互作用的自控试验装置。
技术介绍
[0002]泥沙在沉降过程中不仅会受水流阻力的作用，也会受周围泥沙颗粒的影响。单个泥沙颗粒的沉降使周围的水向下流动。此时，如果该颗粒附近有其它泥沙颗粒，由于颗粒本身相对于水体不易变形，会使向下流动的水体受阻力作用，无法自由向下流动，实质上就是增加了液体的粘滞性。由于水流的连续作用，下沉的泥沙会引起相同体积的水上升，形成一个小的上升流速。同时，周围泥沙颗粒的浓度增加了水的容重。这些因素都会影响泥沙沉降速度，从而影响泥沙在水体中的运动。
[0003]在对泥沙进行沉降研究时，常常把泥沙当作球体。但到目前为止，仍然缺少可以系统观测两球或多球沉降时的相互作用的试验装置。
技术实现思路
[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种沉降球相互作用的自控试验装置，具体技术方案如下：
[0005]一种沉降球相互作用的自控试验装置，该装置包括水平试验管、染色球、同步落球装置、高速摄像系统、试验球收集装置集水漏斗、回水管路、蓄水池、变频水泵、进水管、储水箱、溢流闸门、整流板；
[0006]所述储水箱位于所述蓄水池的上方；所述变频水泵位于所述蓄水池中，且通过所述进水管连接所述储水箱的底部；所述整流板位于所述储水箱内部，用于对进入储水箱的水进行整流；溢流闸门位于所述储水箱的侧壁上；所述水平试验管连接在所述储水箱的侧面底部；所述同步落球装置固定在所述水平试验管上方，且靠近所述水平试验管的进口；所述染色球位于所述同步落球装置中；所述试验球收集装置位于所述水平试验管的出水口附近，用于收集所述染色球；所述集水漏斗连接所述水平试验管的出水口，且底部通过所述回水管路连通所述蓄水池；所述高速摄像系统位于所述水平试验管下方，用于拍摄试验过程多个所述染色球在所述水平试验管中的运动轨迹。
[0007]进一步地，所述同步落球装置为两套，垂直排列，呈T型布置在所述水平试验管的中轴线上；每套同步落球装置包括两个落球管、一个空心套杆、一个按钮和一个弹簧；所述空心套杆布置于两个落球管中间，所述弹簧位于所述空心套杆内，所述按钮的底部插入所述空心套杆内，头部露出所述空心套杆，为按压部；所述按钮包括两个弹性可完全细杆，在未按压状态时，所述弹性可完全细杆深入两侧的落球管内，位于所述落球管内的所述染色球支撑在所述弹性可完全细杆上。
[0008]进一步地，所述水平试验管通过嵌入所述试验球收集装置的凹槽中。
[0009]进一步地，所述整流板为多孔整流板，有两种类型，两种整流板上的透水孔在竖直
方向上的布置高度不同；两种类型的整流板交错平行布置在所述储水箱中，使得板面透水孔在空间交错分布，保证良好整流效果。
[0010]进一步地，所述试验球收集装置为长方体，其长宽高满足如下关系：
[0011][0012]其中，L
P
为试验球收集装置的长度，H为高度，R为宽度的一半，同时也为所述所述水平试验管的内部半径，ω
min
为染色球的最小沉速，V
c
为最大试验流速。
[0013]一种基于自控试验装置的试验方法，该方法包括如下步骤：
[0014](1)将染色球放置在同步落球装置的落球管中，此时装置处于闭合状态；
[0015](2)根据试验流速v0，调节溢流闸门的升起高度h：
[0016][0017]其中，R为水平试验管的内部半径，L为正方形水箱边长，λ为沿程损失因数，ζ
i
，i＝1,2,3，ζ1为进口处局部阻力因数，ζ2为沉降球收集装置处的局部阻力因数，ζ3为出口局部阻力因数；
[0018](3)把水注入蓄水池，启动变频水泵，将水从蓄水池经进水管抽入储水箱中，经过交错布置的整流板整流后进入水平试验管中形成均匀流，经集水漏斗收集后流回蓄水池形成循环；
[0019](4)待所述水平试验管中水流稳定后，开启同步落球装置，染色球在重力作用下自动下落到水平试验管中随水流运动；同时，所述高速摄像系统实时记录水平试验管中染色球间的相互作用及运动轨迹，提取不同时刻两染色球的空间位置和最小间距，计算染色球的沉降速度与相对运动速度矢量、不同染色球中心之间的距离；当两个染色球中心之间的距离恒等于两球半径之和，则为粘结沉降；当两个染色球中心之间的距离恒不等于两球半径之和，则为不碰撞沉降；其余为碰撞沉降；
[0020](5)染色球运动到水平试验管下游段，被染色球收集装置收集，关闭变频水泵完成一次试验。
[0021]本专利技术的有益效果如下：
[0022]本专利技术的沉降球相互作用的自控试验装置，利用高速摄像系统结合图像处理技术，可模拟固液二相流动，可观测多球体随水流运动轨迹和沉降时相互作用，并定量分析多球体之间的相互影响情况，精度高、造价低和操作简单。
附图说明
[0023]本专利技术的沉降球相互作用的自控试验装置，利用高速摄像系统结合图像处理技术，可模拟固液二相流动，可观测多球体随水流运动轨迹和沉降时相互作用，并定量分析多球体之间的相互影响情况，精度高、造价低和操作简单。
[0024]图1为本专利技术的沉降球相互作用的自控试验装置的示意图；
[0025]图2为同步落球装置示意图。
[0026]图3为同步落球装置的T型布置的示意图。
[0027]图4为储水箱左视图。
[0028]图5为两种整流板的示意图。
[0029]图中，1
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水平试验管、2
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染色球、3
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同步落球装置、4
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高速摄像系统、5
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试验球收集装置、6
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集水漏斗、7
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回水管路、8
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蓄水池、9
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变频水泵、10
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进水管、11
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储水箱、12
‑
溢流闸门、13
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整流板。
具体实施方式
[0030]下面根据附图和优选实施例详细描述本专利技术，本专利技术的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0031]如图1
‑
图5所示，本专利技术的沉降球相互作用的自控试验装置，该装置包括水平试验管1、染色球2、同步落球装置3、高速摄像系统4、试验球收集装置5集水漏斗6、回水管路7、蓄水池8、变频水泵9、进水管10、储水箱11、溢流闸门12、整流板13。
[0032]储水箱11位于蓄水池8的上方；变频水泵9位于蓄水池8中，且通过进水管10连接储水箱11的底部；整流板13位于储水箱11内部，用于对进入储水箱11的水进行整流；溢流闸门12位于储水箱11的侧壁上；水平试验管1连接在储水箱11的侧面底部；同步落球装置3固定在水平试验管1上方，且靠近水平试验管1的进口；染色球2本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种沉降球相互作用的自控试验装置，其特征在于，该装置包括水平试验管(1)、染色球(2)、同步落球装置(3)、高速摄像系统(4)、试验球收集装置(5)集水漏斗(6)、回水管路(7)、蓄水池(8)、变频水泵(9)、进水管(10)、储水箱(11)、溢流闸门(12)、整流板(13)；所述储水箱(11)位于所述蓄水池(8)的上方；所述变频水泵(9)位于所述蓄水池(8)中，且通过所述进水管(10)连接所述储水箱(11)的底部；所述整流板(13)位于所述储水箱(11)内部，用于对进入储水箱(11)的水进行整流；溢流闸门(12)位于所述储水箱(11)的侧壁上；所述水平试验管(1)连接在所述储水箱(11)的侧面底部；所述同步落球装置(3)固定在所述水平试验管(1)上方，且靠近所述水平试验管(1)的进口；所述染色球(2)位于所述同步落球装置(3)中；所述试验球收集装置(5)位于所述水平试验管(1)的出水口附近，用于收集所述染色球(2)；所述集水漏斗(6)连接所述水平试验管(1)的出水口，且底部通过所述回水管路(7)连通所述蓄水池(8)；所述高速摄像系统(4)位于所述水平试验管(1)下方，用于拍摄试验过程多个所述染色球(2)在所述水平试验管(1)中的运动轨迹。2.根据权利要求1所述的沉降球相互作用的自控试验装置，其特征在于，所述同步落球装置(3)为两套，垂直排列，呈T型布置在所述水平试验管(1)的中轴线上；每套同步落球装置(3)包括两个落球管(301)、一个空心套杆(302)、一个按钮(303)和一个弹簧(304)；所述空心套杆(302)布置于两个落球管(301)中间，所述弹簧(304)位于所述空心套杆(302)内，所述按钮(303)的底部插入所述空心套杆(302)内，头部露出所述空心套杆(302)，为按压部；所述按钮(303)包括两个弹性可完全细杆，在未按压状态时，所述弹性可完全细杆深入两侧的落球管(301)内，位于所述落球管(301)内的所述染色球(2)支撑在所述弹性可完全细杆上。3.根据权利要求1所述的沉降球相互作用的自控试验装置，其特征在于，所述水平试验管(1)通过嵌入所述试验球收集装置(5)的凹槽中。4.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙志林，张琴，杨通，孙逸之，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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