[發明專利]基于電磁控制的顆粒動力學響應試驗裝置及方法

有效

• 申請號: 202011014892.2
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112146843B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 周偉;梁倫勛;肖海斌;馬剛;陳鴻杰;關少恒;來志強
• 申請（專利權）人: 武漢大學;華能瀾滄江水電股份有限公司;華能集團技術創新中心有限公司
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 俞琳娟

本發明提供了基于電磁控制的顆粒動力學響應試驗裝置及方法，能夠實現無干擾的顆粒柱自然坍塌試驗，獲得準確、真實的試驗數據。顆粒動力學響應試驗裝置包括：多個顆粒單元，每個該顆粒單元均包括：在電磁的作用下能夠產生磁性的嵌入體，和密封包裹在該嵌入體外的包裹體；顆粒流動槽，具有用于容納顆粒單元進行試驗的槽體，槽體的一側作為吸附側，另一側透明作為觀察側；擋板構件，與顆粒流動槽相匹配，與顆粒流動槽共同圍成讓多個顆粒單元排列堆積的空間；以及電磁吸盤，設置在顆粒流動槽的吸附側，通過產生電磁力將顆粒單元吸附在顆粒流動槽的吸附側上形成穩定的顆粒柱，通過關閉電磁力使顆粒柱自由坍塌。

技術領域

本發明屬于顆粒材料動力學特性研究領域，具體涉及基于電磁控制的顆粒動力學響應試驗裝置及方法。

背景技術

顆粒材料的流動是一種很常見的現象，它在自然界中以各種形式出現，如山體滑坡、風化巖石碎屑的崩落等自然因素引發的現象，或者是糧倉的谷物流動，堆石壩的堆石料的運動等人類生產生活所引發的現象，這些都屬于顆粒材料的流動。相比于普通的液體和固體主要涉及微觀分子電子運動和宏觀運動兩個空間層次，顆粒材料還具有以顆粒大小為特征長度的細觀結構層次，該層次與宏觀層次的聯系以及表現形式并不明確，它的運動及力學特性也很復雜，同時，顆粒堆積體的流動是一種跨越固體和液體流動的固-流態轉變行為，是一種不同于液體流動的物質流動。地球科學、物理、力學等基礎學科的研究者們為了研究顆粒流的流動特性及規律，揭示顆粒由靜止模式向運動模式過渡的本質，開展了一系列模擬顆粒流動的精密物理試驗和理論研究，發展了一個新的顆粒材料研究試驗-顆粒柱坍塌。顆粒堆積體是由大量離散的固體顆粒相互堆積而成的，具有一定體積的相對穩定的顆粒集合體，由于顆粒材料是離散的固體物質，顆粒柱從靜態堆積-流動-堆積的轉換機理與傳統的流體不同，具有復雜的轉換過程，大量的顆粒柱坍塌試驗的結果表明，顆粒柱在流動過程中的流態可分為三種：準靜態流動、動態流動、過渡流(緩慢流動)，這三種顆粒流的流態會在顆粒堆積體坍塌過程中進行快速轉換，也可能會同時存在，在流動停止后，顆粒柱流動后堆積形態與顆粒柱初始的高寬比(a＝H/L)有關：當a≤0.7時，摩擦力是影響顆粒柱坍塌后堆積形態的主要因素；當0.7≤a≤3，顆粒流動處于過渡狀態，摩擦力與慣性力相互平衡，當3≤a，慣性力影響顆粒柱坍塌后的堆積形態。顆粒柱坍塌的相關試驗研究在近20年得到了越來越多的關注，特別是隨著新的工業與工程需求、自然災害以及測量技術的出現，進一步推動了顆粒柱坍塌相關的試驗研究的發展。目前，顆粒柱坍塌試驗的試驗流程是通過形成具有一定體積的顆粒堆積體，在顆粒堆積完成并達到穩定后，使顆粒堆積體在極短的時間內產生流動，在此過程中觀察顆粒堆積體的流動過程和停止流動后的堆積形態，并記錄顆粒柱實驗的相關的試驗參數。在顆粒柱坍塌試驗中，顆粒柱初始堆積的形態、大小、是影響試驗結果的關鍵因素，因此，怎樣使顆粒柱在堆積到釋放的過程中保持初始狀態不變，從而實現顆粒柱的瞬間坍塌和流動是試驗設計的關鍵。同時，顆粒柱坍塌過程中進行哪些種類試驗參數收集，對了解顆粒柱坍塌的產生機制與影響機制有很重要的影響?，F將具有代表性的顆粒柱坍塌試驗裝置和研究方法介紹如下：

2005年，Gert Lube等將四種不同的顆粒物質在顆粒流動槽內堆積，利用固定在墻上的定滑輪垂直提升擋板的方式，進行了高寬比a在0.5-21范圍內的雙向顆粒柱坍塌和單向顆粒柱坍塌實驗，利用高速攝像機記錄坍塌過程，并對兩個實驗進行了對比分析。

2005年，E.Lajeunesse等在寬度為4.5cm的顆粒流動槽內，采用垂直提升擋板的方式，進行了顆粒柱的單向坍塌實驗和在內徑3.9cm的半圓筒內的顆粒柱坍塌實驗，利用高速攝像機進行記錄坍塌過程。

2005年，N.J.Balmforth等通過改變顆粒流動槽的寬度，采用旋轉開啟和垂直拉伸的兩種不同的擋板開啟方式，進行了四種不同的顆粒材料的顆粒柱單向坍塌試驗，利用高速攝像機記錄坍塌過程，并對坍塌后的堆積形態進行了分析研究。

2007年，Gert Lube等利用2005年的實驗裝置在寬度為20cm的顆粒流動槽內進行了寬高比在3-9.5范圍內的顆粒柱的坍塌試驗，并研究了坍塌過程中顆粒堆積體內部的靜態堆積區域與動態流動區域的分界面的特性。