[發明專利]一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置及方法

有效

• 申請號: 201811436529.2
• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN109506883B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 李金龍;徐文杰;詹良通;陳云敏;李珂;胡英濤;唐耀;李俊超;鄭建靖;張帥
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

1.一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置，其特征在于，包括控制中樞、離心機、第一流體注入裝置、第二流體注入裝置、模擬實驗腔、溢流箱和流場-濃度場監測系統；

所述離心機采用臂式土工離心機；所述第一流體注入裝置、第二流體注入裝置、模擬實驗腔、溢流箱和流場-濃度場監測系統均置于底板上，所述底板安裝在所述離心機的一側吊籃上，所述離心機的另一側吊籃上設置配重塊，配重塊采用鐵塊或者鉛塊，用于維持離心機兩側的質量平衡；所述第一流體注入裝置、第二流體注入裝置、溢流箱均通過各自的管路與模擬實驗腔連通；所述第一流體的密度小于第二流體；

所述模擬實驗腔尺寸為原型的1/N，其上設置第一流體注入管、第二流體注入管和溢流管；所述第一流體注入管為可更換的不銹鋼射流管，與第一流體注入裝置連接，用于向模擬實驗腔內注入第一流體，通過更換不銹鋼射流管調整超重力流場模擬實驗的射流管口尺寸參數；所述第二流體注入管置于模擬實驗腔的底部，與第二流體注入裝置連接，用于向模擬實驗腔內注入第二流體；所述溢流管置于模擬實驗腔的頂部附近，與溢流箱連接，用于排出模擬實驗腔內高于溢流管的流體，以保證模擬實驗腔的液面穩定；

所述控制中樞控制第一流體注入裝置、第二流體注入裝置的注入行為，包括開閉時間及注入流量，控制離心機的離心超重力為N³；所述流場-濃度場監測系統用于實時采集模擬實驗腔中流場變化圖像，并傳輸給控制中樞分析流場和濃度場。

2.根據權利要求1所述的一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置，其特征在于，所述第一流體注入裝置包括第一流體儲存箱、步進電機、螺旋推桿、活塞筒、固定支架、三通轉接頭、第一單向閥和第二單向閥；所述步進電機和活塞筒通過固定支架固定在底板上，所述步進電機與活塞筒通過螺旋推桿相連，所述螺旋推桿的行進方向平行于離心機產生的超重力方向，以利用離心機運轉產生的超重力場降低螺旋推桿的推力需求，所述活塞筒與三通轉接頭的第一接頭通過管路連通，三通轉接頭的第二接頭通過管路連通第一流體儲存箱，在管路設有第一單向閥，第一流體可以從第一流體儲存箱流向活塞筒，三通轉接頭的第三接頭通過管路連通模擬實驗腔，在管路上設有第二單向閥，第一流體可以從活塞筒流向模擬實驗腔；所述步進電機通過離心機的導電滑環與控制中樞相連，接收來自控制中樞的轉速、轉數及轉動方向指令，以精準控制螺旋推桿的行進速度和距離，可以定量實現活塞筒抽拉補充第一流體及向模擬實驗腔推進第一流體。

3.根據權利要求1所述的一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置，其特征在于，所述第二流體注入裝置包括第二流體儲存箱；所述第二流體儲存箱與模擬實驗腔連通的管路上設置蠕動泵，在蠕動泵的作用下將第二流體注入模擬實驗腔；或者，所述第二流體儲存箱與模擬實驗腔連通的管路上設置電磁閥，且第二流體儲存箱的水位高于模擬實驗腔，在重力作用與電磁閥的配合下將第二流體注入模擬實驗腔；所述蠕動泵或電磁閥通過離心機的導電滑環與控制中樞相連，接收來自控制中樞的指令。

4.根據權利要求1所述的一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置，其特征在于，所述流場-濃度場監測系統通過離心機的導電滑環與控制中樞相連，接收來自控制中樞的指令，在離心機運轉產生的超重環境下實時監測模擬實驗腔內的流體對流流場和濃度場，并將監測數據回傳到控制中樞。

5.根據權利要求1所述的一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置，其特征在于，所述模擬實驗腔為透明長方體模型箱。

6.根據權利要求1所述的一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置，其特征在于，所述第一流體為染色淡水，所述第二流體為鹵水，所述模擬實驗腔為模擬鹽腔；在實驗開始時模擬鹽腔內充滿濃度均勻的濃鹵水，對應實際鹽腔內的鹵水狀態；在離心機旋轉過程中，染色淡水注入模擬鹽腔，與模擬鹽腔內的濃鹵水混合，進行超重環境下的超重力流場模擬實驗，可以等比例還原原型鹽腔內的淡鹵水流體對流狀態；在一次超重力流場模擬實驗結束后，向模擬鹽腔注入濃鹵水，排出頂部的混合染色流體，模擬鹽腔回歸初始狀態。

7.一種利用權利要求1-6任一項所述裝置進行異重流體的超重力流場模擬實驗方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟1：離心機啟動，使離心超重力加速度達到地球常重力加速度的N³倍，N為該次模擬實驗的縮尺比例；

步驟2：通過第二流體注入裝置向模擬實驗腔內注滿第二流體；

步驟3：通過第一流體注入裝置向模擬實驗腔內注入染色的第一流體，通過流場-濃度場監測系統對第一流體的注入、上浮、與第二流體混合行為進行實時流場-濃度場監測；

步驟4：等待流場穩定，具體為注入的染色第一流體與第二流體的混合染色流體穩定浮于模擬實驗腔頂部；

步驟5：通過第二流體注入裝置向模擬實驗腔底部注入第二流體，模擬實驗腔內液面升高，頂部的混合染色流體經溢流管排出到溢流箱中；

步驟6：待全部混合染色流體排出之后，停止第二流體的注入，一次超重力下異重流體的混合對流模擬實驗完成；

步驟7：設置不同的第一流體注入流量、注入管口尺寸和時間，重復步驟3-6，觀測不同射流流量、射流管口尺寸和時間下，異重流體在超重力下的對流混合規律。