CN112362298A

CN112362298A - 具备可变边界条件的气相流场模拟装置

Info

Publication number: CN112362298A
Application number: CN202011200468.7A
Authority: CN
Inventors: 孔胜利; 宋雨晴; 杨鹏飞; 杨洋; 贾音; 方馨梅; 杨瑱; 卢思同
Original assignee: Shanghai Institute of Technology
Current assignee: Shanghai Institute of Technology
Priority date: 2020-10-30
Filing date: 2020-10-30
Publication date: 2021-02-12
Anticipated expiration: 2040-10-30
Also published as: CN112362298B

Abstract

本发明提供了一种具备可变边界条件的气相流场模拟装置，该装置包括：通过管路连接的人工裂隙体通道主体、空气动力机构、测量机构，所述空气动力机构用以向所述人工裂隙体通道主体的通道提供流动的压缩空气，所述测量机构用于测量所述人工裂隙体通道主体的各项测量数据；所述测量数据包括：温度、压力、流量、湿度；其中：所述人工裂隙体通道主体的通道内设置有粘合材料，所述粘合材料用以形成不同的边界条件。本发明中的装置结构简单、操作简易、流场边界条件可变，能够模拟通道均匀流动以及观测流体流态转变，并且可以开展通道内缩尺比模型气相动力性能试验。

Description

具备可变边界条件的气相流场模拟装置

技术领域

本发明涉及流体力学技术领域，具体地，涉及具备可变边界条件的气相流场模拟装置。

背景技术

目前，流场模拟主要通过风洞实验室、水洞实验室或者水槽试验装置等实现。流场模拟实验是一种有效研究裂隙场内流体运移规律的常用实验方法，该方法能够直观的模拟地下不可视的环境条件下流体流动过程。

现有的材料模拟实验多为精密且昂贵的实验设备，材料也多以实际的岩体为主。这种模拟装置难以控制裂隙试件表面的粗糙度，因此很难实现可视化模拟，难以制作可变边界的裂隙场试件。因此，开发一种能够填补该缺陷的模拟装置十分必要，以实现较好的还原实际流动过程。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具备可变边界条件的气相流场模拟装置。

根据本发明提供的一种具备可变边界条件的气相流场模拟装置，包括：通过管路连接的人工裂隙体通道主体、空气动力机构、测量机构，所述空气动力机构用以向所述人工裂隙体通道主体的通道提供流动的压缩空气，所述测量机构用于测量所述人工裂隙体通道主体的各项测量数据；所述测量数据包括：温度、压力、流量、湿度；其中：所述人工裂隙体通道主体的通道内设置有粘合材料，所述粘合材料用以形成不同的边界条件。

可选地，所述人工裂隙体通道主体由透明亚克力板材料注塑而成，所述人工裂隙体通道主体的截面呈矩形结构，且所述人工裂隙体通道主体的通道内壁粘合有不同形状的粘合材料。

可选地，所述人工裂隙体通道主体的进气口与填充有多孔介质的渐扩管连接，且所述渐扩管与所述人工裂隙体通道主体的连接处设置有金属网挡板。

可选地，所述人工裂隙体通道主体的进气口与渐缩管的一端连接，所述渐缩管的另一端通过管路与大气环境连通。

可选地，所述空气动力机构包括：压缩空气气瓶、手动开关阀、减压阀以及压力表，其中：

所述压缩空气气瓶用以提供压缩空气；

所述手动开关阀用于开启或者关闭管路通道；

所述减压阀用于调节管路中的气体压力；

所述压力表用于测量管路中的气体压力。

可选地，所述测量机构包括：设置在所述人工裂隙体通道主体上的温湿度测量表、压差计、流量计，其中：

所述温湿度测量表用于测量所述人工裂隙体通道主体的温度和湿度；

所述压差计用于测量所述人工裂隙体通道主体与外界环境的压力差；

所述流量计分别用于测量所述人工裂隙体通道主体进气口和出气口的流量。

可选地，还包括：实验平台支架，所述人工裂隙体通道主体被固定在所述实验平台支架上。

可选地，还包括：高速摄像设备，所述高速摄像设备与上位机通信连接，用以将拍摄到的人工裂隙体通道主体的流场图像发送给所述上位机。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的具备可变边界条件的气相流场模拟装置，具有结构简单、操作简易、流场边界可变和参数易得的优点，其可以模拟通道均匀流动以及观测流体流态转变，并且可以开展通道内缩尺比模型气相动力性能试验。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的具备可变边界条件的气相流场模拟装置的结构示意图。

图中：

1-压缩空气瓶；2-第一压力表；3-手动开关阀；4-减压阀；5-第二压力表；6-第一流量计；7-渐扩管；8-棉花；9-金属网挡板；10-温湿度测量表；11-人工裂隙体通道主体；12-亚克力板；13-粘合材料；14-压差计；15-渐缩管；16-第二流量计；17-实验平台支架；18-高速摄像设备；19-管路。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种具备可变边界条件的气相流场模拟装置，该装置可以包括：通过管路连接的人工裂隙体通道主体、空气动力机构、测量机构，空气动力机构用以向人工裂隙体通道主体的通道提供流动的压缩空气，测量机构用于测量人工裂隙体通道主体的各项测量数据；测量数据包括：温度、压力、流量、湿度；其中：人工裂隙体通道主体的通道内设置有粘合材料，粘合材料用以形成不同的边界条件。

示例性的，人工裂隙体通道主体由透明亚克力板材料注塑而成，人工裂隙体通道主体的截面呈矩形结构，且人工裂隙体通道主体的通道内壁粘合有不同形状的粘合材料。

本实施例中，粘合材料通过粘合的方式，粘合于人工裂隙体内部，例如粘合在内壁的上下两面，然后通过调整粘合材料的形状、粘合的物量来体现可变边界条件。

示例性的，人工裂隙体通道主体的进气口与填充有多孔介质的渐扩管连接，且渐扩管与人工裂隙体通道主体的连接处设置有金属网挡板。

本实施例中，可以在渐扩管内填充棉花或者海绵等多孔介质，而设置金属网挡板可以有效阻挡渐扩管内部的多孔介质进入人工裂隙体通道主体。

示例性的，人工裂隙体通道主体的进气口与渐缩管连接，渐缩管的另一端通过管路与大气环境连通。

本实施例中，渐缩管可以避免空气流出时产生局部阻力，而渐缩管的末端连接管路至大气环境。

示例性的，空气动力机构包括：压缩空气气瓶、手动开关阀、减压阀以及压力表，其中：压缩空气气瓶用以提供压缩空气；手动开关阀用于开启或者关闭管路通道；减压阀用于调节管路中的气体压力；压力表用于测量管路中的气体压力。

示例性的，测量机构包括：设置在人工裂隙体通道主体上的温湿度测量表、压差计、流量计，其中：温湿度测量表用于测量人工裂隙体通道主体的温度和湿度；压差计用于测量人工裂隙体通道主体与外界环境的压力差；流量计分别用于测量人工裂隙体通道主体进气口和出气口的流量。

示例性的，上述人工裂隙体通道主体被固定在实验平台支架上。

示例性的，还设置有高速摄像设备，高速摄像设备与上位机通信连接，用以将拍摄到的人工裂隙体通道主体的流场图像发送给上位机。

图1为本发明实施例提供的具备可变边界条件的气相流场模拟装置的结构示意图，如图1所示，本实施例中的装置可以包括：压缩空气瓶1、第一压力表2、手动开关阀3、减压阀4、第二压力表5、第一流量计6、渐扩管7、棉花8、金属网挡板9、温湿度测量表10、人工裂隙体通道主体11、亚克力板12、粘合材料13、压差计14、渐缩管15、第二流量计16、实验平台支架17、高速摄像设备18、管路19。压缩空气瓶1通过管路与渐扩管7的一端连接，且压缩空气瓶1与渐扩管7之间的管路上设置有第一压力表2、手动开关阀3、减压阀4、第二压力表5、第一流量计6。

本实施例中，若压缩空气气瓶1中空气的温湿度对实验结果有较大的影响，可以通过温湿度测量表10观测，并由实验人员记录分析，以进一步研究。

本实施例中的装置，采用压缩空气代替瓦斯，安全且环保。采用棉花、金属网挡板设置在人工裂隙体入口出可使空气流均匀的进入人工裂隙体时，且金属网挡板可避免棉花被空气流带入人工裂隙体内。

示例性的，人工裂隙体通道主体11通过亚克力板12材料注塑搭建而成，通道内部通过粘合材料13粘合形成不同的边界条件。

本实施例中，粘合材料12通过粘合的方式，粘合于人工裂隙体通道主体11内部的上下两面，通过调整粘合材料12的形状、粘合的物量来体现可变边界条件。从而能够采用粘合材料13粘合出多样且可变的边界条件。

本实施例中，粘合材料12可以通过3D打印技术制成，具体方式为通过前期对岩体的单轴拉、压、剪力学实验获取裂隙隙面的相关数据，进行打印制备粘合材料12。

本实施例中的装置，通过3D打印技术制备的粘合材料能够很好的模拟实际情况下，当覆岩采动后岩体裂隙形成后的内部情况，并且能够实现边界条件可变。

示例性的，人工裂隙体通道主体11进气口由渐扩管7连接，人工裂隙体通道主体11与渐扩管7的连接处附有金属网挡板9，且渐扩管7内装有棉花8，金属网挡板9用于阻挡棉花8进入人工裂隙体通道主体11。

本实施例中，通道主体为矩形截面，材质为高透光率的亚克力板12。人工裂隙体通道主体11进出口端的渐扩管7和渐缩管15均不会产生较大的局部阻力。人工裂隙体通道主体进口处渐扩管内的棉花8或者海绵等多孔介质，可将前段压缩空气均匀地输送至人工裂隙体通道主体11内。

如图1所示，人工裂隙体通道主体11出气口由渐扩管7连接，避免空气流出时产生局部阻力，渐扩管15末端连接管路19至大气环境。

如图1所示，温湿度测量表10、压差计14、第一流量计6、第二流量计16，温湿度测量表10、压差计14设置在人工裂隙体通道主体11上面，且各个测量仪表的探头通过人工裂隙体通道主体11上面预留的小孔进入通道内部。

如图1所示，人工裂隙体通道主体11进气口与出气口管段分别安设有第一流量计6和第二流量计16，用于相关数据的记录与人工裂隙体通道主体11气密性的测定。

如图1所示，人工裂隙体通道主体11稳固搭建于实验平台支架17上。

如图1所示，上述装置还包括与上位机相连的高速摄像设备18，用于拍摄人工裂隙体通道主体11流场的情况。

本实施例，通过可以记录温湿度测量表读数分析不同温湿度条件下的流动情况。通过高速摄像设备，便于后期观测流场中层流、紊流流态的相关信息。通过记录人工裂隙体前后两个流量计读数，可以检测人工裂隙体搭建过程中的气密性问题。人工裂隙体通道主体采用可拆卸的分离式设计，以方便拆开盖板附粘合材料。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种具备可变边界条件的气相流场模拟装置，其特征在于，包括：通过管路连接的人工裂隙体通道主体、空气动力机构、测量机构，所述空气动力机构用以向所述人工裂隙体通道主体的通道提供流动的压缩空气，所述测量机构用于测量所述人工裂隙体通道主体的各项测量数据；所述测量数据包括：温度、压力、流量、湿度；其中：所述人工裂隙体通道主体的通道内设置有粘合材料，所述粘合材料用以形成不同的边界条件。

2.根据权利要求1所述的具备可变边界条件的气相流场模拟装置，其特征在于，所述人工裂隙体通道主体由透明亚克力板材料注塑而成，所述人工裂隙体通道主体的截面呈矩形结构，且所述人工裂隙体通道主体的通道内壁粘合有不同形状的粘合材料。

3.根据权利要求1所述的具备可变边界条件的气相流场模拟装置，其特征在于，所述人工裂隙体通道主体的进气口与填充有多孔介质的渐扩管连接，且所述渐扩管与所述人工裂隙体通道主体的连接处设置有金属网挡板。

4.根据权利要求1所述的具备可变边界条件的气相流场模拟装置，其特征在于，所述人工裂隙体通道主体的进气口与渐缩管的一端连接，所述渐缩管的另一端通过管路与大气环境连通。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的具备可变边界条件的气相流场模拟装置，其特征在于，所述空气动力机构包括：压缩空气气瓶、手动开关阀、减压阀以及压力表，其中：

所述压缩空气气瓶用以提供压缩空气；

所述手动开关阀用于开启或者关闭管路通道；

所述减压阀用于调节管路中的气体压力；

所述压力表用于测量管路中的气体压力。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的具备可变边界条件的气相流场模拟装置，其特征在于，所述测量机构包括：设置在所述人工裂隙体通道主体上的温湿度测量表、压差计、流量计，其中：

7.根据权利要求1-4中任一项所述的具备可变边界条件的气相流场模拟装置，其特征在于，还包括：实验平台支架，所述人工裂隙体通道主体被固定在所述实验平台支架上。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的具备可变边界条件的气相流场模拟装置，其特征在于，还包括：高速摄像设备，所述高速摄像设备与上位机通信连接，用以将拍摄到的人工裂隙体通道主体的流场图像发送给所述上位机。