[發明專利]一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統及加載方法

無效

• 申請號: 201210089324.8
• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102607941A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 李利平;周毅;李術才;宋曙光;林春金;張騫;郭明;胡聰;王凱
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N3/02
• 分類號: G01N3/02;G01N3/12
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 鄧建國

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技術領域

本發明涉及一種模型試驗領域，尤其是一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統及加載方法。

背景技術

隨著我國經濟的發展，交通事業的騰飛，現代施工技術的進步，大型水下交通工程以其獨特的優勢，在交通體系中占據越來越重要的位置。水下交通工程不占地，不妨礙航行，不影響生態環境，不受臺風、濃霧等氣候因素影響，是一種非常安全的全天候的交通通道，但大型水下工程在勘察、設計和施工方面都面臨著更大的困難和風險。我國學者開展了大量的流-固耦合研究工作，但也存在明顯的弱點：由于流-固耦合問題的復雜性，過去的研究往往不做真實水壓條件下的滲流模擬，僅采用柔性加載模擬水壓力的外力等效手段，不能反映巖體和水耦合作用下的實際情況，也不是真正的流-固耦合相似模擬。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種結構簡單，控制精確，用于流-固耦合模型試驗模擬開挖或其他因素影響下的水下交通工程施工過程，研究施工過程力學、塌方和圍巖變形規律，尤其是流-固耦合作用下圍巖的物理力學特性變化規律的模型試驗中水壓加載控制系統及加載方法。

為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統，它包括密封的試驗臺架，試驗臺架內鋪設有若干層相似材料，試驗臺架內部、相似材料的上面設有用于水壓加載的水箱，試驗臺架的頂部設有與所述水箱相通的注水孔，注水孔通過水管與試驗臺架外部的水源連接，且注水孔與水源之間設有控制注水的控制系統。

所述試驗臺架為剛性密封臺架，試驗臺架外部采用高強度剛性結構架，內部采用高強度鋼化玻璃密封箱。

所述高強度鋼化玻璃密封箱采用若干塊高強度鋼化玻璃制作，高強度鋼化玻璃交接處采用隔水性的高強玻璃膠密封。

所述相似材料為遇水不軟化崩解的非親水性材料，滲透系數小于10^-5cm/s。

所述水箱為密封水箱，相似材料上邊緣與試驗臺架的接觸處用隔水性的凡士林密封，試驗臺架頂部注水孔處采用隔水性的高強玻璃膠密封。

所述控制系統由控制開關、流速計和流量計組成，根據所需水壓調節控制開關，并通過流速計和流量計進行監控。

一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統的加載方法，包括以下步驟：

A.鋪設相似材料，材料鋪設到設計高度后，用凡士林將相似材料與試驗臺架接觸處密封；

B.?試驗臺架封頂，并用隔水性的高強玻璃膠將試驗臺架及注水孔處密封；

C.根據模型試驗的設計要求和模型架尺寸，將設計水壓換算成注入水量，并在控制系統的調節下加入設計水量；

D.如果設計所需水頭高度超過水箱高度，需將剩余水頭高度換算成剩余水壓，借助加壓泵施加，同時通過控制系統控制水速，將加壓擾動控制在試驗允許的范圍內。

本發明按照實際工程中的上覆水體的厚度，通過相似比換算，得到試驗中的設計水頭高度；鋪設相似材料，相似材料要求是遇水不軟化崩解的非親水性材料，滲透系數在小于10^-5cm/s，從而保證水壓的穩定；相似材料填筑到設計高度后，用隔水性的凡士林材料將邊緣密封；進行模型架的封頂，并用防水玻璃膠進行密封；如果水箱的高度大于設計水頭高度，只需通過由注水開關、流量計控制，在水箱中注入設計容量的水體即可；如果水箱的高度達不到設計水頭高度時，在注滿水箱后，使用加壓泵進行加壓，并通過控制系統控制流量和流速，維持壓力的穩定。

本發明研究了模型試驗中外部水壓加載控制系統及加載方法，解決了流-固耦合模型試驗中真實水壓的加載和控制問題。將水壓加載控制系統引入模型試驗中，與前人研究相比，更加真實的模擬固體相似材料與水的相互作用，使流-固耦合模型試驗與工程實踐更加接近，所得到的研究成果適用范圍更廣。

本發明解決了流-固耦合模型試驗中水壓加載和控制問題，具有以下優點：

1、能成功的在流-固耦合模型試驗中加入真實的水壓，不再使用等效加載方式；

2、實現了水壓作用下，圍巖相似材料與水體的相互耦合，有利于研究流-固耦合的作用機理；

3、成功實現了水壓的穩定，選用了合適的密封材料，有效解決了漏水、卸壓現象；

4、實現了流速和流量的有效監測和控制，并且根據實際工程和試驗需要，可以使用加壓泵施加額外水壓，能最大限度的模擬工程實際。

附圖說明

圖1是本發明結構示意圖；