[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

本發明公開了一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置及方法。模擬實驗腔內初始時刻充滿較重流體，通過第一流體注入裝置向實驗腔內注入染色較輕流體，并利用流場?濃度場監測系統進行實時觀測和數據傳輸；經過混合的染色流體最終停留在實驗腔頂部。單次實驗之后，向實驗腔底部逐漸注入較重流體，直至實驗腔頂部的混合染色流體全部經溢流管流入溢流箱，此時模擬實驗腔內的流體回歸到初始狀態，并可以進行下一次實驗。該發明可以利用超重力環境進行異重流體對流的相似模擬實驗，大幅度提高模擬實驗的相似性，并且可以在一次離心旋轉周期內進行多參數組合實驗，實驗速度快，成本低，監測密度高、精度高、范圍大。

技術領域

本發明屬于流體流場模擬領域，尤其涉及一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置及方法。

背景技術

對于大尺度的異重流體對流現象，當前多通過數值模擬的方法進行模擬和預測。由于異重流體的對流多同時涉及粘性力和重力，故需要同時滿足雷諾相似準則和弗洛德相似準則，而實驗室內尺度的模擬實驗，受1g重力不可變的限制，多不具備較好的相似性，無法直接用于指導現場流體規律。

近年來，超重力離心機的應用，使得重力在試驗中成為一個可調節的變量，基于超重力離心機的土工實驗逐漸得到了廣泛應用。國內外相關研究中，亦有少量涉及流體的實驗(包括滲流實驗、土石壩管泳潰壩實驗、近海結構穩定實驗)，但其中流體的角色多作為一種邊界條件，研究人員更關注在水的作用下，土、石、結構的變形應力特性，所設計的土工試驗思路多為水作用于土。對于流體本身的流動規律則基本上沒有相關研究。

實際上，純流體的流動規律也是非常有意義的，本發明即是結合超重力離心機的重力可變的特性，提供一種可以大幅度提高流體縮尺實驗相似性的實驗思路和裝置，為人類更好的認識大尺度流體規律提供研究方法和思路。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術存在的上述問題，提供一種異重流體的超重力流場模擬實驗裝置及方法，利用離心機產生的超重力環境，可以保證流體縮尺模擬實驗的相似性，結構簡單，使用方便，且流場-濃度場監測密度高、精度高、范圍大。

本發明的技術方案原理如下：

流體縮尺模擬實驗的相似準則有：

1)弗洛德相似準則，即需保證模擬實驗與原型實驗的弗洛德數相同：

其中，Fr為弗洛德數，v為速度，g為重力速度，l為特征尺度，下標m和p分別代表模型和原型。

2)雷諾相似準則，即需保證模擬實驗與原型實驗的雷諾數相同：

其中，Re為雷諾數，ρ為密度，為流體粘度，下標m和p分別代表模型和原型。

在常規N倍縮尺試驗中，

若需保證弗洛德數相似，將(3)(4)式代入(1)式，可得

為了同時滿足雷諾相似準則，將(4)(5)代入(2)式，可得

而對于具體的實驗，往往流動性質之外還具有其他性質，故一般要求流動介質盡量采用原介質。

同時相似所需滿足的式(6)與實際情況式(7)矛盾，故常重力下無法同時滿足弗洛德相似準則和雷諾相似準則。但利用離心機產生的超重力環境，

則將(8)(4)代入(1)式得