[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 |
| 地址: | 310058 浙江*** | 國省代碼: | 浙江;33 |
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| 摘要: | |||
| 搜索關鍵詞: | 一種 流體 重力 模擬 實驗 裝置 方法 | ||
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
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