CN112557626B - 基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及试验方法 - Google Patents

基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及试验方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112557626B
CN112557626B CN202011359349.6A CN202011359349A CN112557626B CN 112557626 B CN112557626 B CN 112557626B CN 202011359349 A CN202011359349 A CN 202011359349A CN 112557626 B CN112557626 B CN 112557626B
Authority
CN
China
Prior art keywords
shore
sample
water
test
particle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011359349.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112557626A (zh
Inventor
郑刚
张晓凯
张天奇
邱惠敏
李汛
佟婧博
王佳琳
刁钰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University
Original Assignee
Tianjin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University filed Critical Tianjin University
Priority to CN202011359349.6A priority Critical patent/CN112557626B/zh
Priority to PCT/CN2020/135208 priority patent/WO2021121120A1/zh
Publication of CN112557626A publication Critical patent/CN112557626A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112557626B publication Critical patent/CN112557626B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00—Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Sampling And Sample Adjustment (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于赫尔‑肖氏原理的流固相互作用试验***，包括赫尔‑肖氏薄板装置、制样装置、GDS标准体积控制器和激光辅助检测识别***；赫尔‑肖氏薄板装置采用板间距可调节的赫尔‑肖氏薄板的结构，用于提供试验指定厚度的密闭环境；制样装置由饱和制样单元和干燥制样单元构成，用于向赫尔‑肖氏薄板中装填均匀的饱和的或是均匀的干燥薄层颗粒试样；GDS标准体积控制器用于控制在试验过程中以恒定的压力向赫尔‑肖氏薄板装置中注入液体或气体；激光辅助检测识别***基于透光度对赫尔‑肖氏薄板中的薄层颗粒试样进行检测，得到不同明暗程度分布的试验图片从而实现试样均匀性的标定和流固相互作用发展过程的可视化。

Description

基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及试验方法
技术领域
本发明涉及水利及岩土工程试验技术领域，特别涉及一种基于赫尔-肖氏原理的流体与固体颗粒材料相互作用问题研究的试验***及方法。
背景技术
天然岩土体大多数为多相不连续介质，固体颗粒骨架之间存在的间隙为流体提供了储存和运动的场所，岩土体结构的响应是固体骨架与孔隙流体之间相互作用的结果，因此涉及到岩土体的研究往往需要考虑多场耦合相互作用。赫尔-肖氏薄板试验仪器具有紧凑的结构及良好的可视化效果，但迄今为止，业内仅有基于赫尔-肖氏理论的单纯流体的层流试验方法，对于考虑流固耦合运动的试验应用较少，且传统的赫尔-肖氏试验方法和装置存在经济性差、可重复性低等显著缺陷，大大降低了试验的效率和试验结果的说服力，严重的影响了本领域的科研进步。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提出一种基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及方法，将可视性良好的赫尔-肖氏薄板仪器应用于流固耦合试验中，并针对传统试验装置存在的效率低、可靠性差等问题，设计了一套具有经济、高效、精确等诸多优点的流固相互作用试验***。利用该试验装置及方法，可以进行微观固体颗粒在流体驱动下的运动规律的试验，对提高本领域的试验水平具有显著的意义。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***，包括赫尔-肖氏薄板装置、制样装置、GDS标准体积控制器和激光辅助检测识别***；所述赫尔-肖氏薄板装置采用板间距可调节的赫尔-肖氏薄板的结构或是由多个板间距不同的赫尔-肖氏薄板构成；所述赫尔-肖氏薄板装置用于提供试验指定厚度的密闭环境；所述制样装置包括饱和制样单元和干燥制样单元；所述饱和制样单元用于向所述赫尔-肖氏薄板中装填均匀的饱和薄层颗粒试样；所述干燥制样单元用于向所述赫尔-肖氏薄板中装填均匀的干燥薄层颗粒试样；所述GDS标准体积控制器用于控制在试验过程中以恒定的压力向所述赫尔-肖氏薄板装置中注入液体或气体；所述激光辅助检测识别***基于透光度对所述赫尔-肖氏薄板中的薄层颗粒试样进行检测，得到不同明暗程度分布的试验图片从而实现试样均匀性的标定和流固相互作用发展过程的可视化。
进一步讲，本发明所述的基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***，其中：
所述板间距可调节的赫尔-肖氏薄板包括环形金属板，所述环形金属板的底部自下而上的设有第一内沿板和第二内沿板，所述第一内沿板的内径小于所述第二内沿板的内径，所述第一内沿板上自下而上的设有下有机玻璃板和上有机玻璃板；所述下有机玻璃板的上面设有一个环形槽，所述环形槽内设有环形金属块，所述环形金属块与环形槽的侧壁之间设有海绵；所述环形槽内沿周向均布有多个纵向螺纹孔，每个螺纹孔内均设有与所述环形金属块底部接触的调整螺栓；所述上有机玻璃板与所述下有机玻璃板之间通过周向均布的多个固定螺栓实现非接触连接；所述第二内沿板的上表面低于所述下有机玻璃板的上表面；所述下有机玻璃板与所述第二内沿板的侧表面之间设有下密封圈，所述上有机玻璃板与所述环形金属板的内表面之间设有上密封圈；所述下有机玻璃板与所述环形金属板之间形成一环形的储水槽；所述上有机玻璃板设有通孔，所述储水槽的顶部设有多个出水排气口，所述储水槽的底部设有孔压传感器接口和进水口；每个出水排气口均配有旋塞和进水口、孔压传感器接口均设有堵塞。
所述饱和制样单元包括供水瓶、稳压瓶、供颗粒瓶和压力控制装置，所述压力控制装置包括第一空压机、第二空压机、压力控制器一、调压阀、第一孔压计和第二孔压计；所述供水瓶包括上盖板和下底板，所述供水瓶的上盖板设有进气口，所述供水瓶的进气口通过管路A2连接至第一空压机的出气口，所述管路A2上、自所述第一空压机的出气口至所述供水瓶的进气口依次设有第一三通阀、调压阀和第二三通阀；所述供水瓶的下底板设有出水口，所述供水瓶的出水口与管路B2的一端相连；所述第一三通阀和第二三通阀分别连接出旁路C2和旁路D2，所述旁路C2连接至所述压力控制器一；所述旁路D2连接有第一孔压计；所述稳压瓶包括上盖板和下底板，所述稳压瓶的上盖板设有进气口，所述稳压瓶的进气口通过管路E2与所述压力控制器一相连，所述管路E2上设有第三三通阀，所述第三三通阀连接出旁路F2，所述旁路F2连接有第二孔压计；所述稳压瓶的下底板设出水口；所述供颗粒瓶包括上盖板、下底板和有机玻璃窗，所述供颗粒瓶的上盖板设进水口和换气口；所述稳压瓶的出水口连接至所述供颗粒瓶的上部进水口，用于稳定供颗粒瓶中上部压力；所述供颗粒瓶的下底板设颗粒出口，所述颗粒出口与管路G2的一端相连；所述管路B2的另一端和管路G2的另一端通过第四三通阀相连，所述第四三通阀连接出旁路H2，所述旁路H2连接至赫尔-肖氏薄板的通孔；所述供水瓶用于向赫尔-肖氏薄板中提供固定压力的水流；在所述赫尔-肖氏薄板的边缘安装有振动器，以使装填至赫尔-肖氏薄板的颗粒均匀密实；所述第一孔压计和所述第二孔压计电连至数据采集仪一；所述供水瓶的进气口、所述供水瓶的出水口、所述稳压瓶的进气口、所述供颗粒瓶的换气口、所述供颗粒瓶的颗粒出口、所述振动器的进气口均设有开关阀门。
所述干燥制样单元包括盛颗粒桶和压力控制装置，所述盛颗粒桶设有进气口和出口，所述盛颗粒桶的出口连接有出颗粒管路，所述出颗粒管路上设有出颗粒阀门；所述压力控制装置包括空压机、压力控制器二和气体压力计；所述空压机的出口与所述压力控制器二的进气口相连，所述压力控制器二的出口处的管路上依次设有第一气阀门和四通，经过所述四通后分为三路，一路是与所述盛颗粒桶的进气口连通的管路A3，所述管路A3上设有第二气阀门；另一路上设有气体压力计，所述气体压力计与数据采集仪二电连；还有一路是与所述盛颗粒桶的出颗粒管路贯通的管路B3；所述管路B3与所述出颗粒管路并联于管路C3的一端，所述管路B3上、自所述四通的出口至所述管路C3的一端依次设有流量计和第三气阀门；所述管路C3的另一端连接至所述赫尔-肖氏薄板的通孔。
所述激光辅助检测识别***包括设置在密封摄影棚内的赫尔-肖氏薄板支架，所述赫尔-肖氏薄板支架上放置有赫尔-肖氏薄板，所述赫尔-肖氏薄板的上方设置有无影灯，所述赫尔-肖氏薄板的下方设有CCD相机，所述CCD相机连接至数据采集***；所述无影灯可作为光源提供稳定平行的光束；所述无影灯的高度根据所述赫尔-肖氏薄板的半径进行调整，以保证所述无影灯射出光束的直径≥赫尔-肖氏薄板的直径；所述赫尔-肖氏薄板的上下板空隙间装有标定厚度的干燥或饱和试样；所述CCD相机采用型号为acA640-90gm-Basler ace的工业定制相机，所述CCD相机的镜头冲向所述赫尔-肖氏薄板；所述CCD相机的镜头轴线与所述赫尔-肖氏薄板的中心线重合；所述数据采集***包括安装在一台计算机中的Matlab软件和AlgolabPtVector图片处理软件，所述数据采集***接收、记录和处理来自于所述CCD相机的数据。
同时，本发明中还提出了利用所述的基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***并按照下述步骤完成试验的方法：
步骤一、标定赫尔-肖氏薄板的板间距以确定试样的厚度，可以选择采用间距可调的赫尔-肖氏薄板或是多个板间距不同的赫尔-肖氏薄板。
采用间距可调的赫尔-肖氏薄板时，在所述下有机玻璃板四周边缘放置六片相同厚度的塞尺，将上有机玻璃板盖上，用固定扭矩电动扳手转动六颗所述固定螺栓以固定上下有机玻璃板；旋转调整螺栓顶升所述环形金属块，使之与上有机玻璃板的下表面接触，顶升后使用0.01mm厚的塞尺进行检验以确保二者接触良好，完成标定间距工作。
采用多个板间距不同的赫尔-肖氏薄板时，根据所需试样的厚度选择相应固定板间距的赫尔-肖氏薄板，用固定扭矩电动扳手转动六颗所述固定螺栓固定上下有机玻璃板后，即完成标定间距工作；
步骤二、制备薄层固体颗粒试样，包括采用饱和制样单元向赫尔-肖氏薄板填充饱和试样或是采用干燥制样单元向赫尔-肖氏薄板填充干燥试样。
采用饱和制样单元时，将步骤一所述标定好的赫尔-肖氏薄板的上有机玻璃板拆掉，将两板放入水中后用固定螺栓固定，保证两板间充满水且无气泡存在；将所述饱和制样单元的H2管路的一端与所述通孔连接，将所述供水瓶的供水口处的开关打开使赫尔-肖氏薄板始终处于充满水状态；将所述连接好的赫尔-肖氏薄板从水中拿出并在其边缘安装所述振动器，打开所述供水瓶、稳压瓶的进气口开关，调节压力控制器一和调压阀，使第一孔压计、第二孔压计的气压分别为15kPa、12kPa；启动振动器，打开供颗粒瓶的颗粒出口处的开关阀门，开始向赫尔-肖氏薄板中装填饱和颗粒；两板间空隙填满后，实现了饱和薄层颗粒试样的填装，关闭所有开关阀门；将两板再次移入水中，并放置在所述环形金属板上方，用力使两板与环形金属板紧密接触，形成一圆柱整体；然后在水中将GDS标准体积控制器的注水口与所述进水口相连接，将所述孔压计与所述孔压传感器接口相连接，轻轻拔掉与通孔连接的H2管路。
采用干燥制样单元时，将所述C3管路的一端与所述通孔连接；启动所述空压机，陆续开启第一气阀门和第三气阀门，按照数据采集仪二和流量计显示的读数通过相应的阀门将气压、气流调整至试验所需设计值，如15kPa；协同开启出颗粒阀门、开启第二气阀门，开始向所述赫尔-肖氏薄板填充颗粒；调节压力控制器二改变管路A3和管路B3的气体流速及通过管路C3向赫尔-肖氏薄板的进颗粒速度；两板间空隙填满后，实现了干燥薄层颗粒试样的填装，关闭所有开关阀门；将两板放置在所述环形金属板上方，用力使两板与环形金属板紧密接触，形成一圆柱整体；然后将GDS标准体积控制器的注水口与所述进水口相连接，将所述孔压计与所述孔压传感器接口相连接，轻轻拔掉与通孔连接的C3管路。
步骤三、进行流固相互作用试验，包括下述几种的一种或多种：
1)利用制备好的干燥试样进行气固相互作用试验，过程如下：
安装和调试：将步骤二制备好的填充有干燥试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚内的赫尔-肖氏薄板支架上；所述无影灯处于关闭状态时，所述密封摄影棚内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机、无影灯的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行；
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器内的水排出，确保GDS标准体积控制器处于完全充气状态；开启所述GDS标准体积控制器将气体从所述进水口吹入所述赫尔-肖氏薄板中，气流均匀地从干燥试样四周流进，流经试验后从通孔流出；同时控制CCD相机以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
2)利用制备好的饱和试样进行气液固相互作用试验，过程如下：
安装和调试：将步骤二制备好的填充有干燥试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚内的赫尔-肖氏薄板支架上；所述无影灯处于关闭状态时，所述密封摄影棚内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机、无影灯的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行；
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器内的水排出，确保GDS标准体积控制器处于完全充气状态；开启所述GDS标准体积控制器将气体从所述进水口吹入所述赫尔-肖氏薄板中，气流均匀地从干燥试样四周流进，流经试验后从通孔流出；同时控制CCD相机以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
3)利用制备好的饱和试样进行液固相互作用试验，过程如下：
安装和调试：将步骤二制备好的填充有饱和试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚内的赫尔-肖氏薄板支架上；所述无影灯处于关闭状态时，所述密封摄影棚内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机、无影灯的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行；
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器内装满水，确保GDS标准体积控制器处于完全饱和状态；开启所述GDS标准体积控制器将水从所述进水口注入储水槽中，再经过海绵打撒后从干燥试样四周向通孔流动；同时控制CCD相机以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
4)利用制备好的干燥试样进行气液固相互作用试验，过程如下：
安装和调试：将所述步骤二制备好的填充有干燥试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚内的赫尔-肖氏薄板支架上；所述无影灯处于关闭状态时，所述密封摄影棚内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机、无影灯的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行：
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器内装满水，确保GDS标准体积控制器处于完全饱和状态；开启所述GDS标准体积控制器将水从所述进水口注入储水槽中，再经过海绵打撒后从干燥试样四周向通孔流动；同时控制CCD相机以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
本发明中，对于AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件的使用属于本领域公知常识，在此不再赘述。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于赫尔-肖氏原理提出了一种应用于岩土工程的流固相互作用试验方法，主要用于研究固体颗粒在流体驱动下的运动机制及演化规律
(2)本发明的试验***采用大量无色透明有机玻璃板材质制作的仪器，在试验过程中可对试验现象进行直接或间接的观察，具有高度的可视化效果，克服了岩体工程灾害隐蔽性高、难以观察的困难。
(3)本发明的试验方法中所设计的板间距可调的赫尔-肖氏薄板装置具有结构稳定、密封性好等优点，能够便捷、灵活的制备所需不同厚度的试样，得到多组可靠的试验结果。
(4)本发明的试验方法中所设计的气力吹填干燥试样法采用的精密稳定压力控制***，能够精确控制向赫尔-肖氏薄板中装填颗粒的气体压力和流量，克服了传统干燥试样制备中质量受人为干扰因素大的困难，保证所制试样具有高度可重复性。
(5)本发明的试验方法所设计的水力吹填饱和试样法采用的精密稳定压力控制***，能够精确控制向赫尔-肖氏薄板中装填颗粒的水压力和进颗粒速度，保证所制试样具有高度的可重复性，且将传统的制样和饱和两个过程相结合，大大提高了试验的效率。
(6)本发明的试验方法所采用的颗粒孔隙率检测方法和激光辅助识别颗粒分布的方法，前者可及时对试验开始前的试样均匀程度和局部缺陷进行检测，避免因试样初始缺陷造成试验失败；后者可精确记录和描述试验中的颗粒运动发展过程及最终的侵蚀区域边界，提高了试验结果的精确性。
综上所述，本发明的基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及方法具有经济性高、可重复性好、试验结果精确可靠等诸多优点，试验***的高度可视化有利于深入研究流体与固体颗粒材料之间的相互作用机制及发展规律，对科学研究具有重要意义。
附图说明
图1-1为本发明试验***中赫尔-肖氏薄板的结构俯视图；
图1-2为本发明试验***中赫尔-肖氏薄板将上有机玻璃板移除后的俯视图；
图1-3为图1-1中A-A剖切截面所示的剖视图；
图1-4为图1-1中B-B剖切截面所示的剖视图；
图2为本发明试验***中饱和制样单元的结构示意图；
图3为本发明试验***中干燥制样单元的结构示意图；
图4为本发明试验***中激光辅助检测识别***的结构示意图；
图5是利用本发明试验***进行流固相互作用试验的流程图。
图中：
101-环形金属板，102-储水槽，103-上密封圈，104-固定螺栓，105-上有机玻璃板，106-通孔，107-环形金属块，108-孔压传感器接口，109-调整螺栓，110-下有机玻璃板，111-下密封圈，112-进水口，113-出水排气口，114-海绵，115-下固定螺栓孔；
201-第一空压机，202-第二空压机，203-压力控制器一，204-调压阀，205-第一孔压计，206-第二孔压计，207-数据采集仪一，208-供水瓶，209-稳压瓶，210-供颗粒瓶，211-振动器，212-第一三通阀，213-第二三通阀，214-第三三通阀，215-第四三通阀；
301-空压机，302-压力控制器二，303-第一气阀门，304-四通，305-气体压力计，306-数据采集仪二，307-第二气阀门，308-盛颗粒桶，309-流量计，310-出颗粒阀门，311-第三气阀门，312-三通接口；
401-密封摄影棚，402-GDS标准体积控制器，403-无影灯，404-CCD相机，405-数据采集仪，406-孔压计，407-赫尔-肖氏薄板支架，408-数据采集***。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明提出的一种基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***，包括赫尔-肖氏薄板装置、制样装置、GDS标准体积控制器和激光辅助检测识别***。
所述赫尔-肖氏薄板装置采用板间距可调节的赫尔-肖氏薄板的结构或是由多个板间距不同的赫尔-肖氏薄板构成；所述赫尔-肖氏薄板装置用于提供试验指定厚度的密闭环境。
所述制样装置包括饱和制样单元和干燥制样单元；所述饱和制样单元用于向所述赫尔-肖氏薄板中装填均匀的饱和薄层颗粒试样；所述干燥制样单元用于向所述赫尔-肖氏薄板中装填均匀的干燥薄层颗粒试样。
所述GDS标准体积控制器用于控制在试验过程中以恒定的压力向所述赫尔-肖氏薄板装置中注入液体或气体。
所述激光辅助检测识别***基于透光度对所述赫尔-肖氏薄板中的薄层颗粒试样进行检测，得到不同明暗程度分布的试验图片从而实现试样均匀性的标定和流固相互作用发展过程的可视化。
本发明中，所述的板间距可调节的赫尔-肖氏薄板的结构如图1-1、图1-2、图1-3和图1-4所示，包括环形金属板101，所述环形金属板101的底部自下而上的设有第一内沿板和第二内沿板，所述第一内沿板的内径小于所述第二内沿板的内径，所述第一内沿板上自下而上的设有下有机玻璃板110和上有机玻璃板105，所述下有机玻璃板110和上有机玻璃板105均采用无色透明有机玻璃材料；所述下有机玻璃板110的上面设有一个环形槽，所述环形槽与所述下有机玻璃板为同轴设置，且尽可能的位于下有机玻璃板110的外缘。所述环形槽内设有环形金属块107，所述环形金属块107与环形槽的侧壁之间设有海绵114；所述环形槽内沿周向均布有多个纵向螺纹孔，每个螺纹孔内均设有与所述环形金属块107底部接触的调整螺栓109；所述上有机玻璃板105与所述下有机玻璃板110之间通过周向均布的多个固定螺栓104实现非接触连接，并保持相对位置不变，板间距的大小可以由夹在两板间的塞尺决定。所述第二内沿板的上表面低于所述下有机玻璃板110的上表面；所述下有机玻璃板110与所述第二内沿板的侧表面之间设有下密封圈111，所述上有机玻璃板105与所述环形金属板101的内表面之间设有上密封圈103；所述下有机玻璃板110与所述环形金属板101之间形成一环形的储水槽102，所述储水槽102是一个由所述下有机玻璃板110的外表面、上有机玻璃板105的底面、环形金属板101的内表面和第二内沿板的上表面所为围成的空间，所述上有机玻璃板105设有通孔106，试验前，所述通孔106为填颗粒口；试验时，所述通孔106为出水或出气口。所述储水槽102的顶部设有多个出水排气口113，出水排气口113用于排去储水槽102中的空气，所述储水槽102的底部设有孔压传感器接口108和进水口112；每个出水排气口113均配有旋塞和进水口112、孔压传感器接口108均设有堵塞。
本发明中，所述饱和制样单元的结构如图2所示，包括供水瓶208、稳压瓶209、供颗粒瓶210和压力控制装置。所述压力控制装置包括第一空压机201、第二空压机202、压力控制器一203、调压阀204、第一孔压计205和第二孔压计206；所述供水瓶208包括上盖板和下底板，所述供水瓶208的上盖板设有进气口，所述供水瓶208的进气口通过管路A2连接至第一空压机201的出气口，所述管路A2上、自所述第一空压机201的出气口至所述供水瓶208的进气口依次设有第一三通阀212、调压阀204和第二三通阀213；所述供水瓶208的下底板设有出水口，所述供水瓶208的出水口与管路B2的一端相连；所述第一三通阀212和第二三通阀213分别连接出旁路C2和旁路D2，所述旁路C2连接至所述压力控制器一203；所述旁路D2连接有第一孔压计205；所述稳压瓶209包括上盖板和下底板，所述稳压瓶209的上盖板设有进气口，所述稳压瓶209的进气口通过管路E2与所述压力控制器一203相连，所述管路E2上设有第三三通阀214，所述第三三通阀214连接出旁路F2，所述旁路F2连接有第二孔压计206；所述稳压瓶209的下底板设出水口；所述供颗粒瓶210包括上盖板、下底板和有机玻璃窗，所述供颗粒瓶210的上盖板设进水口和换气口；所述稳压瓶209的出水口连接至所述供颗粒瓶210的上部进水口，用于稳定供颗粒瓶210中上部压力；所述供颗粒瓶210的下底板设颗粒出口，所述颗粒出口与管路G2的一端相连；所述管路B2的另一端和管路G2的另一端通过第四三通阀215相连，所述第四三通阀215连接出旁路H2，所述旁路H2连接至赫尔-肖氏薄板的通孔106；所述供水瓶208用于向赫尔-肖氏薄板中提供固定压力的水流；在所述赫尔肖板1的边缘安装有振动器211，所述振动器211为气压振动器，所述振动器211连接有第二空压机202，以使装填至赫尔-肖氏薄板的颗粒均匀密实。所述第一孔压计205和所述第二孔压计206电连至数据采集仪一207；所述供水瓶208的进气口、所述供水瓶208的出水口、所述稳压瓶209的进气口、所述供颗粒瓶210的换气口、所述供颗粒瓶210的颗粒出口、所述振动器211的进气口均设有开关阀门。该装置中第一空压机201提供可调节气压，该第一空压机201的出气口通过第一三通阀212分为两路，一路与供水瓶208相连，并沿途设调压阀204和第一孔压计205，以精确控制供水瓶208的出水压力，从而可以分别向供颗粒瓶210和赫尔-肖氏薄板提供固定压力的水流。另一路与稳压瓶209连接，并沿途设压力控制器一203和第二孔压计206，以精确控制稳压瓶209的压力进而控制并稳定供颗粒瓶210的上部压力，同时防止供颗粒瓶210中的水进入气管路和电路，产生危险；第一孔压计205和第二孔压计206均连接至数据采集仪一207，根据数据采集仪一207显示的数据，调节调压阀204和压力控制器一203，使得供颗粒瓶210上下部压差稳定，从而使颗粒在稳定压差及自重作用下经所述供颗粒瓶210的颗粒出口，以一定速度填入赫尔-肖氏薄板。
本发明中，所述干燥制样单元的结构如图4所示，包括盛颗粒桶308和压力控制装置，所述盛颗粒桶308包括桶体，所述桶体的顶部和底部分别设有上金属盖板和下金属盖板，所述桶体设置有透明的观察窗，所述盛颗粒桶308设有进气口和出口，所述盛颗粒桶308的进气口设置在所述上金属盖板上，所述上金属盖板上还设有换气口，所述出口设置在所述下金属盖板上，所述盛颗粒桶308的出口连接有出颗粒管路，所述出颗粒管路上设有出颗粒阀门310。所述压力控制装置包括空压机301、压力控制器二302和气体压力计305；所述空压机301的出口与所述压力控制器二302的进气口相连，由空压机301提供可调节气压，所述压力控制器二302的出口处的管路上依次设有第一气阀门303和四通304，经过所述四通304后分为三路，一路是与所述盛颗粒桶308的进气口连通的管路A3，用于提供盛颗粒桶308上部气压，以使颗粒在上部压力下流出盛颗粒桶308，所述管路A3上设有第二气阀门307；另一路上设有气体压力计305，所述气体压力计305与数据采集仪二306电连，由所述气体压力计305实时测量所述管路A3中的气体压力，并通过数据采集仪二306实时显示该气压，用于实时监测空压机提供的气压；还有一路是与所述盛颗粒桶308的出颗粒管路贯通的管路B3；所述管路B3与所述出颗粒管路并联于管路C3的一端，所述管路B3、所述出颗粒管路和所述管路C3交汇于一个三通接口312。所述管路B3上、自所述四通304的出口至所述管路C3的一端依次设有流量计309和第三气阀门311；所述管路C3的另一端连接至所述赫尔-肖氏薄板的通孔，管路B3用于提供向所述赫尔-肖氏薄板填颗粒的动力，以使出颗粒管路中的颗粒顺利的通过管路C3进入赫尔-肖氏薄板，其中，所述流量计309用于实时监测管路B3中的气流速度，从而控制管路C3向所述赫尔-肖氏薄板中填装颗粒的速度。
本发明中，所述激光辅助检测识别***的结构如图4所示，包括设置在密封摄影棚401内的赫尔-肖氏薄板支架407，所述赫尔-肖氏薄板支架407上放置有赫尔-肖氏薄板，所述赫尔-肖氏薄板的上方设置有无影灯403，所述赫尔-肖氏薄板的下方设有CCD相机404，所述CCD相机404连接至数据采集***408；所述无影灯403可作为光源提供稳定平行的光束；所述无影灯403的高度根据所述赫尔-肖氏薄板的半径进行调整，以保证所述无影灯403射出光束的直径≥赫尔-肖氏薄板的直径；所述无影灯403为密封摄影棚401内的唯一光源，即当无影灯403关闭时，密封摄影棚401内处于绝对黑暗状态；所述赫尔-肖氏薄板的上下板空隙间装有标定厚度的干燥或饱和试样；所述CCD相机404采用型号为acA640-90gm-Baslerace的工业定制相机，所述CCD相机404的镜头冲向所述赫尔-肖氏薄板；所述CCD相机404的镜头轴线与所述赫尔-肖氏薄板的中心线重合；所述数据采集***408包括安装在一台计算机中的Matlab软件和AlgolabPtVector图片处理软件，所述数据采集***408接收、记录和处理来自于所述CCD相机404的数据，经所述数据采集***408处理后的每一帧图片中：颗粒厚处呈现黑色；颗粒薄处呈现灰色；无颗粒处呈现白色，如图4下方的图片所示。
利用本发明提供的基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***进行试验的过程如图5所示，主要包括标定赫尔-肖氏薄板的板间距以确定试样的厚度；制备薄层固体颗粒试样，包括干燥试样和饱和试样；进行流固相互作用试验，可以进行的试验包括利用制备好的干燥试样进行气固相互作用试验，(2)利用制备好的饱和试样进行气液固相互作用试验，(3)利用制备好的饱和试样进行液固相互作用试验，(4)利用制备好的干燥试样进行气液固相互作用试验。下面对各步骤的操作进行详细说明。
步骤一、标定赫尔-肖氏薄板的板间距以确定试样的厚度，根据采用的赫尔-肖氏薄板的具体结构不同有以下两种方式：
一是，采用间距可调的赫尔-肖氏薄板，如图1-1、图1-2、图1-3和图1-4所示，将所述下有机玻璃板110清洗干净后将其中间部分放置在平台上使调整螺栓109悬空，以免螺栓被压坏。在所述下有机玻璃板110四周边缘放置六片相同厚度的塞尺，将上有机玻璃板105盖上，用固定扭矩电动扳手转动六颗所述固定螺栓104以固定上下有机玻璃板；旋转调整螺栓109顶升所述环形金属块107，使之与上有机玻璃板105的下表面接触，顶升后使用0.01mm厚的塞尺检验环形金属块107和上有机玻璃板105的接触情况，确保二者接触良好，完成标定间距工作。
二是，采用多个板间距不同的赫尔-肖氏薄板，根据所需试样的厚度选择相应固定板间距的赫尔-肖氏薄板，将下有机玻璃板110清洗干净后，将上有机玻璃板205盖上，用固定扭矩电动扳手转动六颗所述固定螺栓104固定上下有机玻璃板后，即完成标定间距工作。
步骤二、制备薄层固体颗粒试样，其中：
采用本发明中的所述饱和制样单元制备饱和试样，过程是：将步骤一所述标定好的赫尔-肖氏薄板的上有机玻璃板105拆掉，将所述下有机玻璃板110和上有机玻璃板110依次放入水中后用固定螺栓104固定，保证两板间充满水且无气泡存在；
按照图2所示，将所述饱和制样单元的H2管路的一端与所述通孔106连接，将所述供水瓶的供水口处的开关打开使赫尔-肖氏薄板始终处于充满水状态；将所述连接好的赫尔-肖氏薄板从水中拿出并在其边缘安装所述振动器211，打开所述供水瓶208、稳压瓶209的进气口开关，调节压力控制器一203和调压阀204，使第一孔压计205、第二孔压计206的气压分别为15kPa、12kPa；启动振动器211，打开供颗粒瓶210的颗粒出口处的开关阀门，开始向赫尔-肖氏薄板中装填饱和颗粒；两板间空隙填满后，实现了饱和薄层颗粒试样的填装，关闭所有开关阀门；将两板再次移入水中，并放置在所述环形金属板101上方，用力使两板与环形金属板101紧密接触，形成一圆柱整体；然后在水中将GDS标准体积控制器402的注水口与所述储水槽102底部的进水口112相连接，将所述孔压计406与所述储水槽102底部的孔压传感器接口108相连接，轻轻拔掉与通孔106连接的H2管路。
采用本发明中的所述干燥制样单元制备干燥试样，过程是：按照图3所示，将所述C3管路的一端与所述通孔106连接；启动所述空压机301，陆续开启第一气阀门303和第三气阀门311，按照数据采集仪二306和流量计309显示的读数通过相应的阀门将气压、气流调整至试验所需设计值，如15kPa；协同开启出颗粒阀门310、开启第二气阀门307，开始向所述赫尔-肖氏薄板填充颗粒；调节压力控制器二302改变管路A3和管路B3的气体流速及通过管路C3向赫尔-肖氏薄板的进颗粒速度；两板间空隙填满后，实现了干燥薄层颗粒试样的填装，关闭所有开关阀门；将两板放置在所述环形金属板101上方，用力使两板与环形金属板101紧密接触，形成一圆柱整体；然后将GDS标准体积控制器402的注水口与所述进水口112相连接，将所述孔压计406与所述孔压传感器接口108相连接，轻轻拔掉与通孔106连接的C3管路。
步骤三、进行流固相互作用试验，包括以下几种具体的试样：
利用制备好的干燥试样进行气固相互作用试验的过程如下：
安装和调试：将步骤二制备好的填充有干燥试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚401内的赫尔-肖氏薄板支架407上；所述无影灯403处于关闭状态时，所述密封摄影棚401内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机404、无影灯403的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行；
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***408中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***408的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器402内的水排出，确保GDS标准体积控制器处于完全充气状态；开启所述GDS标准体积控制器402将气体从所述进水口112吹入所述赫尔-肖氏薄板中，气流均匀地从干燥试样四周流进，流经试验后从通孔106流出；同时控制CCD相机404以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***408中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
(2)利用制备好的饱和试样进行气液固相互作用试验的过程如下：
安装和调试：将步骤二制备好的填充有饱和试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚401内的赫尔-肖氏薄板支架407上；所述无影灯403处于关闭状态时，所述密封摄影棚401内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机404、无影灯403的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行；
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***408中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***408的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器402内的水排出，确保GDS标准体积控制器处于完全充气状态；开启所述GDS标准体积控制器402将气体从所述进水口112吹入所述赫尔-肖氏薄板中，气流均匀地从饱和试样四周流进，流经试验后从通孔106流出；同时控制CCD相机404以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***408中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
(3)利用制备好的饱和试样进行液固相互作用试验的过程如下：
安装和调试：将所述步骤二制备好的填充有饱和试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚401内的赫尔-肖氏薄板支架407上；所述无影灯403处于关闭状态时，所述密封摄影棚401内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机404、无影灯403的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行：
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***408中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***408的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器402内装满水，确保GDS标准体积控制器处于完全饱和状态；开启所述GDS标准体积控制器402将水从所述进水口112注入储水槽102中，再经过海绵114打撒后从饱和试样四周向通孔106流动；同时控制CCD相机404以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***408中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
(4)利用制备好的干燥试样进行气液固相互作用试验的过程如下：
安装和调试：将所述步骤二制备好的填充有干燥试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚401内的赫尔-肖氏薄板支架407上；所述无影灯403处于关闭状态时，所述密封摄影棚401内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机404、无影灯403的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行：
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***408中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***408的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器402内装满水，确保GDS标准体积控制器处于完全饱和状态；开启所述GDS标准体积控制器402将水从所述进水口112注入储水槽102中，再经过海绵114打撒后从干燥试样四周向通孔106流动；同时控制CCD相机404以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***408中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验方法，用于实现该试验方法的***包括赫尔-肖氏薄板装置、制样装置、GDS标准体积控制器和激光辅助检测识别***；所述赫尔-肖氏薄板装置采用板间距可调节的赫尔-肖氏薄板的结构或是由多个板间距不同的赫尔-肖氏薄板构成；所述赫尔-肖氏薄板装置用于提供试验指定厚度的密闭环境；所述制样装置包括饱和制样单元和干燥制样单元；所述饱和制样单元用于向所述赫尔-肖氏薄板中装填均匀的饱和薄层颗粒试样；所述干燥制样单元用于向所述赫尔-肖氏薄板中装填均匀的干燥薄层颗粒试样；所述GDS标准体积控制器用于控制在试验过程中以恒定的压力向所述赫尔-肖氏薄板装置中注入液体或气体；所述激光辅助检测识别***基于透光度对所述赫尔-肖氏薄板中的薄层颗粒试样进行检测，得到不同明暗程度分布的试验图片从而实现试样均匀性的标定和流固相互作用发展过程的可视化；
所述板间距可调节的赫尔-肖氏薄板包括环形金属板(101)，所述环形金属板(101)的底部自下而上的设有第一内沿板和第二内沿板，所述第一内沿板的内径小于所述第二内沿板的内径，所述第一内沿板上自下而上的设有下有机玻璃板(110)和上有机玻璃板(105)；所述下有机玻璃板(110)的上面设有一个环形槽，所述环形槽内设有环形金属块(107)，所述环形金属块(107)与环形槽的侧壁之间设有海绵(114)；所述环形槽内沿周向均布有多个纵向螺纹孔，每个螺纹孔内均设有与所述环形金属块(107)底部接触的调整螺栓(109)；所述上有机玻璃板(105)与所述下有机玻璃板(110)之间通过周向均布的多个固定螺栓(104)实现非接触连接；所述第二内沿板的上表面低于所述下有机玻璃板(110)的上表面；所述下有机玻璃板(110)与所述第二内沿板的侧表面之间设有下密封圈(111)，所述上有机玻璃板(105)与所述环形金属板(101)的内表面之间设有上密封圈(103)；所述下有机玻璃板(110)与所述环形金属板(101)之间形成一环形的储水槽(102)；所述上有机玻璃板(105)设有通孔(106)，所述储水槽(102)的顶部设有多个出水排气口(113)，所述储水槽(102)的底部设有孔压传感器接口(108)和进水口(112)；每个出水排气口(113)均配有旋塞和进水口(112)、孔压传感器接口(108)均设有堵塞；
所述饱和制样单元包括供水瓶(208)、稳压瓶(209)、供颗粒瓶(210)和压力控制装置，所述压力控制装置包括第一空压机(201)、第二空压机(202)、压力控制器一(203)、调压阀(204)、第一孔压计(205)和第二孔压计(206)；所述供水瓶(208)包括上盖板和下底板，所述供水瓶(208)的上盖板设有进气口，所述供水瓶(208)的进气口通过管路A2连接至第一空压机(201)的出气口，所述管路A2上、自所述第一空压机(201)的出气口至所述供水瓶(208)的进气口依次设有第一三通阀(212)、调压阀(204)和第二三通阀(213)；所述供水瓶(208)的下底板设有出水口，所述供水瓶(208)的出水口与管路B2的一端相连；所述第一三通阀(212)和第二三通阀(213)分别连接出旁路C2和旁路D2，所述旁路C2连接至所述压力控制器一(203)；所述旁路D2连接有第一孔压计(205)；所述稳压瓶(209)包括上盖板和下底板，所述稳压瓶(209)的上盖板设有进气口，所述稳压瓶(209)的进气口通过管路E2与所述压力控制器一(203)相连，所述管路E2上设有第三三通阀(214)，所述第三三通阀(214)连接出旁路F2，所述旁路F2连接有第二孔压计(206)；所述稳压瓶(209)的下底板设出水口；所述供颗粒瓶(210)包括上盖板、下底板和有机玻璃窗，所述供颗粒瓶(210)的上盖板设进水口和换气口；所述稳压瓶(209)的出水口连接至所述供颗粒瓶(210)的上部进水口，用于稳定供颗粒瓶(210)中上部压力；所述供颗粒瓶(210)的下底板设颗粒出口，所述颗粒出口与管路G2的一端相连；所述管路B2的另一端和管路G2的另一端通过第四三通阀(215)相连，所述第四三通阀(215)连接出旁路H2，所述旁路H2连接至赫尔-肖氏薄板的通孔(106)；所述供水瓶(208)用于向赫尔-肖氏薄板中提供固定压力的水流；在所述赫尔-肖氏薄板的边缘安装有振动器(211)，以使装填至赫尔-肖氏薄板的颗粒均匀密实；所述第一孔压计(205)和所述第二孔压计(206)电连至数据采集仪一(207)；所述供水瓶(208)的进气口、所述供水瓶(208)的出水口、所述稳压瓶(209)的进气口、所述供颗粒瓶(210)的换气口、所述供颗粒瓶(210)的颗粒出口、所述振动器(211)的进气口均设有开关阀门；
所述干燥制样单元包括盛颗粒桶(308)和压力控制装置，所述盛颗粒桶(308)设有进气口和出口，所述盛颗粒桶(308)的出口连接有出颗粒管路，所述出颗粒管路上设有出颗粒阀门(310)；所述压力控制装置包括空压机(301)、压力控制器二(302)和气体压力计(305)；所述空压机(301)的出口与所述压力控制器二(302)的进气口相连，所述压力控制器二(302)的出口处的管路上依次设有第一气阀门(303)和四通(304)，经过所述四通(304)后分为三路，一路是与所述盛颗粒桶(308)的进气口连通的管路A3，所述管路A3上设有第二气阀门(307)；另一路上设有气体压力计(305)，所述气体压力计(305)与数据采集仪二(306)电连；还有一路是与所述盛颗粒桶(308)的出颗粒管路贯通的管路B3；所述管路B3与所述出颗粒管路并联于管路C3的一端，所述管路B3上、自所述四通(304)的出口至所述管路C3的一端依次设有流量计(309)和第三气阀门(311)；所述管路C3的另一端连接至所述赫尔-肖氏薄板的通孔(106)；
所述激光辅助检测识别***包括设置在密封摄影棚(401)内的赫尔-肖氏薄板支架(407)，所述赫尔-肖氏薄板支架(407)上放置有赫尔-肖氏薄板，所述赫尔-肖氏薄板的上方设置有无影灯(403)，所述赫尔-肖氏薄板的下方设有CCD相机(404)，所述CCD相机(404)连接至数据采集***(408)；所述无影灯(403)可作为光源提供稳定平行的光束；所述无影灯(403)的高度根据所述赫尔-肖氏薄板的半径进行调整，以保证所述无影灯(403)射出光束的直径≥赫尔-肖氏薄板的直径；所述赫尔-肖氏薄板的上下板空隙间装有标定厚度的干燥或饱和试样；所述CCD相机(404)采用型号为acA640-90gm-Basler ace的工业定制相机，所述CCD相机(404)的镜头冲向所述赫尔-肖氏薄板；所述CCD相机(404)的镜头轴线与所述赫尔-肖氏薄板的中心线重合；所述数据采集***(408)包括安装在一台计算机中的Matlab软件和AlgolabPtVector图片处理软件，所述数据采集***(408)接收、记录和处理来自于所述CCD相机(404)的数据；
其特征在于，该试验方法包括以下步骤：
步骤一、标定赫尔-肖氏薄板的板间距以确定试样的厚度；
采用间距可调的赫尔-肖氏薄板，在所述下有机玻璃板(110)四周边缘放置六片相同厚度的塞尺，将上有机玻璃板(105)盖上，用固定扭矩电动扳手转动六颗所述固定螺栓(104)以固定上下有机玻璃板；旋转调整螺栓(109)顶升所述环形金属块(107)，使之与上有机玻璃板(105)的下表面接触，顶升后使用0.01mm厚的塞尺进行检验以确保二者接触良好，完成标定间距工作；
或是，采用多个板间距不同的赫尔-肖氏薄板，根据所需试样的厚度选择相应固定板间距的赫尔-肖氏薄板，用固定扭矩电动扳手转动六颗所述固定螺栓(104)固定上下有机玻璃板后，即完成标定间距工作；
步骤二、制备薄层固体颗粒试样；
采用所述的饱和制样单元，将步骤一所述标定好的赫尔-肖氏薄板的上有机玻璃板(105)拆掉，将两板放入水中后用固定螺栓(104)固定，保证两板间充满水且无气泡存在；将所述饱和制样单元的H2管路的一端与所述通孔(106)连接，将所述供水瓶的供水口处的开关打开使赫尔-肖氏薄板始终处于充满水状态；将所述连接好的赫尔-肖氏薄板从水中拿出并在其边缘安装所述振动器(211)，打开所述供水瓶(208)、稳压瓶(209)的进气口开关，调节压力控制器一(203)和调压阀(204)，使第一孔压计(205)、第二孔压计(206)的气压分别为15kPa、12kPa；启动振动器(211)，打开供颗粒瓶(210)的颗粒出口处的开关阀门，开始向赫尔-肖氏薄板中装填饱和颗粒；两板间空隙填满后，实现了饱和薄层颗粒试样的填装，关闭所有开关阀门；将两板再次移入水中，并放置在所述环形金属板(101)上方，用力使两板与环形金属板(101)紧密接触，形成一圆柱整体；然后在水中将GDS标准体积控制器(402)的注水口与所述进水口(112)相连接，将所述孔压计(406)与所述孔压传感器接口(108)相连接，轻轻拔掉与通孔(106)连接的H2管路；
采用所述的干燥制样单元，将所述管路 C3 的一端与所述通孔(106)连接；启动所述空压机(301)，陆续开启第一气阀门(303)和第三气阀门(311)，按照数据采集仪二(306)和流量计(309)显示的读数通过相应的阀门将气压、气流调整至试验所需设计值，如15kPa；协同开启出颗粒阀门(310)、开启第二气阀门(307)，开始向所述赫尔-肖氏薄板填充颗粒；调节压力控制器二(302)改变管路A3和管路B3的气体流速及通过管路C3向赫尔-肖氏薄板的进颗粒速度；两板间空隙填满后，实现了干燥薄层颗粒试样的填装，关闭所有开关阀门；将两板放置在所述环形金属板(101)上方，用力使两板与环形金属板(101)紧密接触，形成一圆柱整体；然后将GDS标准体积控制器(402)的注水口与所述进水口(112)相连接，将所述孔压计(406)与所述孔压传感器接口(108)相连接，轻轻拔掉与通孔(106)连接的管路 C3 ；
步骤三、进行流固相互作用试验，包括下述几种的一种或多种：
1)利用制备好的干燥试样进行气固相互作用试验；
2)利用制备好的饱和试样进行气液固相互作用试验；
3)利用制备好的饱和试样进行液固相互作用试验；
4)利用制备好的干燥试样进行气液固相互作用试验。
2.根据权利要求1所述的基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验方法，其特征在于，步骤三中，利用制备好的干燥试样进行气固相互作用试验的过程如下：
安装和调试：将步骤二制备好的填充有干燥试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚(401)内的赫尔-肖氏薄板支架(407)上；所述无影灯(403)处于关闭状态时，所述密封摄影棚(401)内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机(404)、无影灯(403)的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行；
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***(408)中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***(408)的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器(402)内的水排出，确保GDS标准体积控制器处于完全充气状态；开启所述GDS标准体积控制器(402)将气体从所述进水口(112)吹入所述赫尔-肖氏薄板中，气流均匀地从干燥试样四周流进，流经试验后从通孔(106)流出；同时控制CCD相机(404)以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***(408)中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
3.根据权利要求1所述的基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验方法，其特征在于，步骤三中，利用制备好的饱和试样进行气液固相互作用试验的过程如下：
安装和调试：将步骤二制备好的填充有饱和试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚(401)内的赫尔-肖氏薄板支架(407)上；所述无影灯(403)处于关闭状态时，所述密封摄影棚(401)内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机(404)、无影灯(403)的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行；
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***(408)中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***(408)的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器(402)内的水排出，确保GDS 标准体积控制器处于完全充气状态；开启所述GDS标准体积控制器(402)将气体从所述进水口(112)吹入所述赫尔-肖氏薄板中，气流均匀地从饱和试样四周流进，流经试验后从通孔(106)流出；同时控制CCD相机(404)以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***(408)中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
4.根据权利要求1所述的基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验方法，其特征在于，步骤三中，利用制备好的饱和试样进行液固相互作用试验的过程如下：
安装和调试：将所述步骤二制备好的填充有饱和试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚(401)内的赫尔-肖氏薄板支架(407)上；所述无影灯(403)处于关闭状态时，所述密封摄影棚(401)内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机(404)、无影灯(403)的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行：
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***(408)中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***(408)的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器(402)内装满水，确保GDS标准体积控制器处于完全饱和状态；开启所述GDS标准体积控制器(402)将水从所述进水口(112)注入储水槽(102)中，再经过海绵(114)打撒后从饱和试样四周向通孔(106)流动；同时控制CCD相机(404)以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***(408)中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
5.根据权利要求1所述的基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验方法，其特征在于，步骤三中，利用制备好的干燥试样进行气液固相互作用试验的过程如下：
安装和调试：将所述步骤二制备好的填充有干燥试样的赫尔-肖氏薄板移至所述的密封摄影棚(401)内的赫尔-肖氏薄板支架(407)上；所述无影灯(403)处于关闭状态时，所述密封摄影棚(401)内处于绝对无光状态；调整所述CCD相机(404)、无影灯(403)的位置和光学参数，确保试验在同一束光投影下进行：
判断试样是否符合试验要求：当所述数据采集***(408)中显示器得到清晰的图像时采集相应图片；结合数据采集***(408)的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件对图片进行二值化处理，根据图片明暗程度分布对试样中的颗粒分布均匀性进行标定，若颗粒分布不均，则需返回所述步骤二重新制取试样，否则开始实验；
进行气液固相互作用试验：将所述GDS标准体积控制器(402)内装满水，确保GDS 标准体积控制器处于完全饱和状态；开启所述GDS标准体积控制器(402)将水从所述进水口(112)注入储水槽(102)中，再经过海绵(114)打撒后从干燥试样四周向通孔(106)流动；同时控制CCD相机(404)以固定频率采集图像直至试验结束，结合数据采集***(408)中的AlgolabPtVector图片处理软件与Matlab软件处理识别图片中颗粒的实时分布情况，通过所有不同明暗程度分布的图片实现流固相互作用发展过程的可视化。
CN202011359349.6A 2019-12-17 2020-11-27 基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及试验方法 Active CN112557626B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011359349.6A CN112557626B (zh) 2020-11-27 2020-11-27 基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及试验方法
PCT/CN2020/135208 WO2021121120A1 (zh) 2019-12-17 2020-12-10 基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***、相关装置及试验方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011359349.6A CN112557626B (zh) 2020-11-27 2020-11-27 基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及试验方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112557626A CN112557626A (zh) 2021-03-26
CN112557626B true CN112557626B (zh) 2023-03-14

Family

ID=75046365

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011359349.6A Active CN112557626B (zh) 2019-12-17 2020-11-27 基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及试验方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112557626B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108020489A (zh) * 2017-11-17 2018-05-11 山东大学 充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验***与方法
CN110879287A (zh) * 2019-12-17 2020-03-13 天津大学 板间距可调节的赫尔-肖氏薄板试验仪器
CN111157318A (zh) * 2020-02-05 2020-05-15 天津大学 一种用于向赫尔肖板中装填饱和颗粒的装置
CN111272508A (zh) * 2020-02-29 2020-06-12 天津大学 一种采用气力向赫尔-肖氏薄板中装填干燥颗粒的装置
CN111289408A (zh) * 2020-02-25 2020-06-16 天津大学 激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置及方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7931792B2 (en) * 2001-06-20 2011-04-26 Sandia Corporation System for concentrating and analyzing particles suspended in a fluid

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108020489A (zh) * 2017-11-17 2018-05-11 山东大学 充填型岩溶渗透破坏全过程模拟试验***与方法
CN110879287A (zh) * 2019-12-17 2020-03-13 天津大学 板间距可调节的赫尔-肖氏薄板试验仪器
CN111157318A (zh) * 2020-02-05 2020-05-15 天津大学 一种用于向赫尔肖板中装填饱和颗粒的装置
CN111289408A (zh) * 2020-02-25 2020-06-16 天津大学 激光辅助识别赫尔-肖氏薄板中颗粒分布的装置及方法
CN111272508A (zh) * 2020-02-29 2020-06-12 天津大学 一种采用气力向赫尔-肖氏薄板中装填干燥颗粒的装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A spatially resolved fluid-solid interaction model for dense granular packs/soft-sand;Paula A.Gago et.al.;《Advances in Water Resources》;20191031(第136期);第103454页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112557626A (zh) 2021-03-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101750450B (zh) 一种用于阵列毛细管电泳的自动进样装置
CN109883893A (zh) 一种用于固体表面润湿接触角测量的实验装置
CN202928762U (zh) 气密性自动化量化测量便携式测试仪
CN209606292U (zh) 模拟天然气管道内腐蚀环境的高速湿气腐蚀环路实验装置
CN103698094A (zh) 多工位的工件密封性检测装置
CN110879287A (zh) 板间距可调节的赫尔-肖氏薄板试验仪器
CN112557626B (zh) 基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***及试验方法
CN201965078U (zh) 一种可控温度土体三轴渗透试验装置
CN105606507A (zh) 粘性土临界水力梯度测试仪及测试方法
CN203337347U (zh) 一种多容腔气密性测试装置
CN209589386U (zh) 一种工装夹具用全自动气密检测***
CN209911193U (zh) 一种用于混凝土孔隙率的测试仪器
CN209745717U (zh) 一种三轴水力劈裂试验装置
CN2872339Y (zh) 一种气密性检测装置
CN106442306B (zh) 一种能实现不同溶解氧含量条件下的电化学腐蚀测试装置及方法
CN107490608A (zh) 一种薄液环境下力学‑电化学交互作用原位测量装置
WO2021121120A1 (zh) 基于赫尔-肖氏原理的流固相互作用试验***、相关装置及试验方法
CN104406794A (zh) 一种用于检测航空发动机导向器的实验装置
CN208155543U (zh) 壳体测漏检测装置
CN207636251U (zh) 一种精密过滤器密封性检测装置
CN215263505U (zh) 一种多层土体渗流潜蚀耦合试验装置
CN203643104U (zh) 一种多工位的工件密封性检测装置
CN114486824B (zh) 一种模拟pH变化的面向土壤***的高分辨技术耦合的重金属原位表征***
CN205263060U (zh) 一种能用于气体传感器标定的测试装置
CN209640063U (zh) 搅拌桩试件室内实验养护装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant