CN116148145B - 一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法，其中的地质特征研究用物理沉积模拟实验装置包括底板、水箱和试验箱，所述水箱固定安装在底板的顶部，试验箱固定安装在水箱的顶部，试验箱的顶部为开口构造，试验箱内放置有泥沙和多个卵石。本发明设计合理，实用性好，能够进行模拟不同大小的波浪条件、不同波浪方向条件、水位缓慢下降条件、水位快速下降条件、水位缓慢上涨条件以及水位快速上涨条件的沉积实验，功能性好，能够尽可能的贴合实际环境要求，提高了沉积实验结果的准确性，能够帮助研究人员更好的对沉积体(冲积扇或三角洲)地区的沉积构造进行研究、分析。
Description
技术领域
本发明涉及沉积模拟试验技术领域，具体为一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法。
背景技术
地质泛指地球的性质和特征，主要是指地球的物质组成、结构、构造、发育历史等，包括地球的圈层分异、物理性质、化学性质、岩石性质、矿物成分、岩层和岩体的产出状态、接触关系，地球的构造发育史、生物进化史、气候变迁史，以及矿产资源的赋存状况和分布规律等。其中，沉积主要指悬浮在液体中的固体颗粒的连续沉降，水流中所夹带的岩石、砂砾、泥土等在河床和海湾等低洼地带沉淀、淤积，也指这样沉下来的物质形成冲积层或自然的堆积物。现今，在进行地质特征研究时，通过研究湖平面升降对沉积体(冲积扇或三角洲)沉积体的发育具有的影响性是其中的一项，通常会在实验室内进行模拟湖平面升降时的物理沉积实验，在进行模拟试验时，就需要使用到地质特征研究用物理沉积模拟实验装置。
现有技术中，常用的地质特征研究用物理沉积模拟实验装置在使用时，大多只能够模拟相同力度的波浪条件，水位上涨或下降时的沉积模拟试验，由于自然界中，液体中的波浪大小时大时小，无规律，并且水位下降的速度不同，水位上涨的速度也不同，进而在模拟沉积实验期间，导致其功能性比较单一，不能够贴合实际环境要求，导致沉积实验的结果不够准确，不能很好的满足使用需求，为此，我们提出一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法用于解决上述问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法，解决了现有的地质特征研究用物理沉积模拟实验装置在使用时，大多只能够模拟相同力度的波浪条件，水位上涨或下降时的沉积模拟试验，由于自然界中，液体中的波浪大小时大时小，无规律，并且水位下降的速度不同，水位上涨的速度也不同，进而在模拟沉积实验期间，导致其功能性比较单一，不能够贴合实际环境要求，导致沉积实验的结果不够准确的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，包括底板、水箱和试验箱，所述水箱固定安装在底板的顶部，试验箱固定安装在水箱的顶部，试验箱的顶部为开口构造，试验箱内放置有泥沙和多个卵石，底板的顶部固定安装有U型架，U型架的顶部固定安装有电动推杆，U型架的顶部开设有竖孔，电动推杆的输出轴端贯穿竖孔并固定安装有升降板，升降板的底部固定安装有三个制热风机和三个制冷风机，三个制热风机和三个制冷风机呈等间距交替排布，升降板的底部设置有两个水流推动机构，试验箱的两侧均固定安装有固定筒，两个固定筒相互靠近的一侧均为开口构造，两个固定筒均与试验箱相连通，两个固定筒的底部均固定安装有排水管，两个排水管的底端均延伸至水箱内，水箱上对称设置有两个挡水机构，试验箱的前侧设置有快速放水机构，U型架上对称设置有两个补水机构。
优选的，所述水流推动机构包括竖板、横轴、轴套、多个叶片和调速电机，竖板固定安装在升降板的底部，竖板的底端延伸至试验箱内，横轴转动安装在竖板上并位于试验箱内，轴套固定套设在横轴上并位于竖板的前侧，多个叶片均固定安装在轴套的外壁上并呈等间距环形排布，横轴的后端贯穿竖板，调速电机固定安装在竖板的后侧壁上，横轴的后端与调速电机的输出轴端固定连接。
优选的，所述竖板的后侧固定安装有防水罩，调速电机位于防水罩内。
优选的，所述试验箱的两侧内壁上均固定安装有滤网，两个滤网分别与相对应的固定筒相适配。
优选的，所述挡水机构包括活动板、轴座、丝杆、转柄和挡板，水箱的顶部开设有矩形滑孔，活动板的底端滑动贯穿矩形滑孔，轴座固定安装在排水管的外管壁上，丝杆转动安装在轴座上，活动板螺纹套设在丝杆上，转柄固定安装在丝杆远离轴座的一端，挡板固定安装在活动板的底部，挡板的顶部与排水管的底端滑动接触。
优选的，所述矩形滑孔内固定安装有横导杆，活动板滑动套设在横导杆上。
优选的，所述快速放水机构包括两个放水管和两个截止阀，两个放水管均固定安装在试验箱的前侧，两个放水管均与试验箱内部相连通，两个放水管的底端均延伸至水箱内，两个截止阀分别固定安装在相对应的放水管上。
优选的，所述补水机构包括水泵、吸水管、输送管和流量调节阀，水泵固定安装在U型架的内侧壁上，吸水管的一端与水泵的吸入端固定连接，吸水管远离水泵的一端延伸至水箱内，输送管的一端与水泵的排出端固定连接，输送管远离水泵的一端与固定筒的顶部固定连接，输送管与固定筒内部相连通，流量调节阀固定安装在输送管上。
优选的，所述水箱的前侧内壁上开设有清理口，水箱的前侧外壁上通过螺钉固定安装有密封盖板，密封盖板与清理口相适配，水箱的顶部开设有加水孔，加水孔内螺纹安装有旋塞。
一种上述的地质特征研究用物理沉积模拟实验装置的实验方法，包括如下操作步骤：。
S1：将从沉积体(冲积扇或三角洲)地区采取的泥沙、多个卵石和液体依次放入试验箱内，使得多个卵石分散开无规律排布，再打开旋塞，从加水孔处向水箱内注入适量的液体，然后把旋塞旋紧在加水孔内，即完成了在试验箱内模拟冲积扇或三角洲入湖沉积的情况，即可进行后续的沉积模拟实验；
S2：S1中的步骤完成后，先顺时针转动两个转柄，两个转柄带动相对应的丝杆顺时针转动，使得两个活动板向靠近排水管的方向移动，两个活动板带动相对应的挡板水平移动，即可先把两个挡板调节至对相对应排水管的底端进行封堵，通过启动电动推杆工作，电动推杆调动升降板和两个竖板下降，使得多个叶片下降至试验箱液体内合适深度时，停止电动推杆工作，通过启动左侧的调速电机转动，使得左侧的调速电机带动左侧的横轴、轴套和多个叶片旋转，利用左侧的多个叶片的旋转，可推动液体从左向右流动，即可模拟拟制造从左向右流动的波浪，同理，通过启动右侧的调速电机转动，使得右侧的调速电机带动右侧的横轴、轴套和多个叶片旋转，利用右侧的多个叶片的旋转，可推动液体从右向左流动，即可模拟制造从右向左流动的波浪，进而通过不定期的交替控制两个调速电机运行，可模拟不同方向的波浪条件的沉积试验；
S3：在模拟不同方向的波浪条件所产生的沉积试验的过程中，通过利用两个调速电机的转速可调特点，可分别控制两个横轴带动相对应的轴套和多个叶片进行不同转速条件的旋转，即可改变所模拟制造的波浪大小，可模拟不同大小的波浪条件的沉积试验；
S4：在模拟不同方向的波浪条件所产生的沉积试验的过程中，通过逆时针转动两个转柄，两个转柄带动相对应的丝杆逆时针转动，使得两个活动板向远离排水管的方向移动，两个活动板带动相对应的挡板水平移动，两个挡板可逐渐解除对相对应排水管底端的封堵，液体产生的波浪拍打在试验箱左侧或者右侧内壁上时，液体会不断的进入左侧或者右侧的固定筒内，再经过相对应的排水管流入水箱内，试验箱内的液体逐渐缓慢减小，并且通过调节两个挡板的水平位置，可改变从相对应排水管流出的液体流量的大小，即可模拟水位缓慢下降条件的沉积试验；
S5：通过打开左侧的截止阀，使得试验箱内的液体从左侧的放水管排出，即可增加水位的下降速度，再打开右侧的截止阀，使得试验箱内的液体也从右侧的放水管排出，即可进一步增加水位的下降速度，进而可模拟水位较为快速下降条件的沉积试验；
S6：通过模拟水位下降的沉积试验完成后，通过不定期的交替启动两个水泵运行，并把两个挡板调节至对相对应排水管的底端进行封堵，利用水泵的运行，可将水箱内的液体抽送至试验箱内，并且通过调节相对应的流量调节阀，可改变流入试验箱内的液体流量，即可模拟水位缓慢上涨条件以及水位快速上涨条件的沉积实验，试验结束后，停止水泵和调速电机运行，工作人员即可分析、研究试验箱内的试验结果；
S7：在进行模拟实验的过程中，通过随机开启一个、两个或者三个制热风机运行，可模拟不同高温环境下的物理沉积模拟实验，通过随机开启一个、两个或者三个制冷风机运行，可模拟不同低温环境下的物理沉积模拟实验，进而更能够贴合时间环境进行试验操作。
(三)有益效果
本发明提供了一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法。具备以下有益效果：
(1)、该一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法，通过将从沉积体(冲积扇或三角洲)地区采取的泥沙和液体依次放入试验箱内，并向水箱内注入适量的液体，即完成了在试验箱内模拟冲积扇或三角洲入湖沉积的情况，即可进行后续的沉积模拟实验。
(2)、该一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法，通过利用竖板、横轴、轴套、多个叶片和调速电机组合构成的水流推动机构，并设置两个水流推动机构，可在试验箱内制造液体流动时产生的波浪现象，通过不定期的交替控制两个调速电机运行，可模拟不同方向的波浪条件的沉积试验，也可模拟不同大小的波浪条件的沉积试验，即进行不同水动力的模拟实验。
(3)、该一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法，通过利用活动板、轴座、丝杆、转柄和挡板组合构成的挡水机构，可对排水管的底端进行封堵或不完全封堵以及不封堵，进而可模拟液体水位缓慢下降时的沉积实验。
(4)、该一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法，通过利用两个放水管和两个截止阀组合构成的快速放水机构，用于控制试验箱内的液体较为快速的排出，进而可模拟液体水位较为快速下降时的沉积模拟实验。
(5)、该一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法，通过利用水泵、吸水管、输送管和流量调节阀组合构成的补水机构，可向试验箱内添补清水，进而可模拟水位缓慢上涨条件以及水位快速上涨条件的沉积实验。
(6)该一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置及实验方法，通过利用三个制热风机和三个制冷风机，不仅可模拟不同高温环境下的物理沉积模拟实验，还可模拟不同低温环境下的物理沉积模拟实验，进而更能够贴合时间环境进行试验操作。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图；
图2为本发明主视的剖视结构示意图；
图3为图2中A部分的放大示意图；
图4为水流推动机构的侧视剖视结构示意图；
图5为图2中B部分的放大示意图；
图6为图2中C部分的放大示意图。
图中：1、底板；2、水箱；3、试验箱；4、泥沙；5、卵石；6、电动推杆；7、升降板；8、竖板；9、横轴；10、轴套；11、叶片；12、调速电机；13、防水罩；14、固定筒；15、排水管；16、滤网；17、矩形滑孔；18、活动板；19、轴座；20、丝杆；21、转柄；22、挡板；23、放水管；24、截止阀；25、水泵；26、吸水管；27、输送管；28、流量调节阀；29、U型架；30、密封盖板；31、旋塞；32、制热风机；33、制冷风机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，包括底板1、水箱2、试验箱3、水流推动机构、两个挡水机构、快速放水机构和两个补水机构，其中：
水箱2固定安装在底板1的顶部，试验箱3固定安装在水箱2的顶部，需要说明的是，试验箱3的顶部为开口构造，试验箱3采用透明材质的钢化玻璃或者塑料制成，进而方便观察试验箱3内沉积模拟实验情况，试验箱3内放置有泥沙4和多个卵石5，需要说明的是，泥沙4和卵石5均使用所采集的沉积体(冲积扇或三角洲)河底的真实材料，并且多个卵石5的形状、大小均不相同，试验箱3还存装有适量的液体，底板1的顶部固定安装有U型架29，U型架29的顶部固定安装有电动推杆6，U型架29的顶部开设有竖孔，电动推杆6的输出轴端贯穿竖孔并固定安装有升降板7，升降板7的底部固定安装有三个制热风机32和三个制冷风机33，三个制热风机32和三个制冷风机33呈等间距交替排布，两个水流推动机构均设置在升降板7的底部，电动推杆6用于控制升降板7升高或下降，进而方便对水流推动机构的高度位置进行调节，试验箱3的两侧均固定安装有固定筒14，两个固定筒14相互靠近的一侧均为开口构造，两个固定筒14均与试验箱3相连通，两个固定筒14的底部均固定安装有排水管15，两个排水管15的底端均延伸至水箱2内，两个挡水机构对称设置在水箱2上，快速放水机构设置在试验箱3的前侧，两个补水机构对称设置在U型架29上。
上述的水流推动机构用于模拟试验箱3内的液体流动情况，模拟液体流动产生波浪时的沉积模拟实验，水流推动机构包括竖板8、横轴9、轴套10、多个叶片11和调速电机12，竖板8固定安装在升降板7的底部，竖板8的底端延伸至试验箱3内，横轴9转动安装在竖板8上并位于试验箱3内，轴套10固定套设在横轴9上并位于竖板8的前侧，多个叶片11均固定安装在轴套10的外壁上并呈等间距环形排布，横轴9的后端贯穿竖板8，调速电机12固定安装在竖板8的后侧壁上，横轴9的后端与调速电机12的输出轴端固定连接，利用调速电机12，可控制横轴9带动轴套10和多个叶片11旋转，利用多个叶片11旋转时产生的推动力，可推动试验箱3内的液体流动，制造液体流动产生波浪的现象，并且通过利用调速电机12的可调速性，可制造不同大小的波浪进行试验。
本实施例中，竖板8的后侧固定安装有防水罩13，调速电机12位于防水罩13内，防水罩13用于对调速电机12进行隔离防水防护，避免调速电机12遇水损坏。
本实施例中，试验箱3的两侧内壁上均固定安装有滤网16，两个滤网16分别与相对应的固定筒14相适配，利用滤网16，可对泥沙4进行阻挡拦截，避免泥沙4进入固定筒14内。
上述的挡水机构用于控制水流从排水管15排出的流量大小，进而可模拟液体水位缓慢下降时的沉积模拟实验，挡水机构包括活动板18、轴座19、丝杆20、转柄21和挡板22，水箱2的顶部开设有矩形滑孔17，活动板18的底端滑动贯穿矩形滑孔17，轴座19固定安装在排水管15的外管壁上，丝杆20转动安装在轴座19上，活动板18螺纹套设在丝杆20上，转柄21固定安装在丝杆20远离轴座19的一端，转柄21用于转动丝杆20，进而可控制活动板18带动挡板22水平移动，挡板22固定安装在活动板18的底部，挡板22的顶部与排水管15的底端滑动接触，利用挡板22可对排水管15的底端管口进行遮挡，限制水流流量。
本实施例中，矩形滑孔17内固定安装有横导杆，活动板18滑动套设在横导杆上，横导杆用于对活动板18的滑动方向进行导向，使得活动板18能够在矩形滑孔17内平稳进行水平方向的滑动。
上述的快速放水机构用于控制试验箱3内的液体从放水管23快速的排出，进而可模拟液体水位快速下降时的沉积模拟实验，快速放水机构包括两个放水管23和两个截止阀24，两个放水管23均固定安装在试验箱3的前侧，两个放水管23均与试验箱3内部相连通，两个放水管23的底端均延伸至水箱2内，两个截止阀24分别固定安装在相对应的放水管23上，利用两个放水管23和两个截止阀24，可把试验箱3内的液体较为快速的放出，实现试验箱3内的液体水位快速下降的效果，需要说明的是，两个放水管23位于试验箱3内的一端也固定安装有滤网，用于对泥沙4进行阻挡拦截。
上述的补水机构用于向试验箱3内添补清水，进而可模拟液体水位上涨时的沉积模拟实验，补水机构包括水泵25、吸水管26、输送管27和流量调节阀28，水泵25固定安装在U型架29的内侧壁上，吸水管26的一端与水泵25的吸入端固定连接，吸水管26远离水泵25的一端延伸至水箱2内，输送管27的一端与水泵25的排出端固定连接，输送管27远离水泵25的一端与固定筒14的顶部固定连接，输送管27与固定筒14内部相连通，流量调节阀28固定安装在输送管27上，利用水泵25，可把水箱2内的液体输送至试验箱3内，实现水位上升时的沉积试验，流量调节阀28用于调节液体进入试验箱3内的流量大小，进而可改变液体水位的上升速度。
本实施例中，水箱2的前侧内壁上开设有清理口，水箱2的前侧外壁上通过螺钉固定安装有密封盖板30，密封盖板30与清理口相适配，通过设置密封盖板30和清理口，便于对水箱2内部进行定期清洁，水箱2的顶部开设有加水孔，加水孔内螺纹安装有旋塞31，通过设置加水孔和旋塞31，可向水箱内添补液体。
本实施例中，U型架29上固定安装有控制开关，电动推杆6、两个调速电机12、两个水泵25、三个制热风机32、三个制冷风机33和控制开关依次通过导线与外接电源线电性连接构成回路，两个调速电机12的转向相反设置，控制开关可控制电动推杆6的启停和复位工作，还可分别控制两个调速电机12、两个水泵25、三个制热风机32、三个制冷风机33的开启和关闭。
通过上述结构，本发明提供的地质特征研究用物理沉积模拟实验装置能够进行模拟不同大小的波浪条件、不同波浪方向条件、水位缓慢下降条件、水位快速下降条件、水位缓慢上涨条件以及水位快速上涨条件的沉积实验，功能性好，能够尽可能的贴合实际环境要求，提高了沉积实验结果的准确性，能够帮助研究人员更好的对沉积体(冲积扇或三角洲)地区的沉积构造进行研究、分析，具体操作时，将从沉积体(冲积扇或三角洲)地区采取的泥沙4、多个卵石5和液体依次放入试验箱3内，使得多个卵石5分散开无规律排布，再打开旋塞31，从加水孔处向水箱2内注入适量的液体，然后把旋塞31旋紧在加水孔内，即完成了在试验箱内模拟冲积扇或三角洲入湖沉积的情况，即可进行后续的沉积模拟实验；上述的步骤完成后，先顺时针转动两个转柄21，两个转柄21带动相对应的丝杆20顺时针转动，使得两个活动板18向靠近排水管15的方向移动，两个活动板18带动相对应的挡板22水平移动，即可先把两个挡板22调节至对相对应排水管15的底端进行封堵，通过启动电动推杆6工作，电动推杆6调动升降板7和两个竖板8下降，使得多个叶片11下降至试验箱3液体内合适深度时，停止电动推杆6工作，通过启动左侧的调速电机12转动，使得左侧的调速电机12带动左侧的横轴9、轴套10和多个叶片11旋转，利用左侧的多个叶片11的旋转，可推动液体从左向右流动，即可模拟拟制造从左向右流动的波浪，同理，通过启动右侧的调速电机12转动，使得右侧的调速电机12带动右侧的横轴9、轴套10和多个叶片11旋转，利用右侧的多个叶片11的旋转，可推动液体从右向左流动，即可模拟制造从右向左流动的波浪，进而通过不定期的交替控制两个调速电机12运行，可模拟不同方向的波浪条件的沉积试验；在模拟不同方向的波浪条件所产生的沉积试验的过程中，通过利用两个调速电机12的转速可调特点，可分别控制两个横轴9带动相对应的轴套10和多个叶片11进行不同转速条件的旋转，即可改变所模拟制造的波浪大小，可模拟不同大小的波浪条件的沉积试验，即进行不同水动力的模拟实验；在模拟不同方向的波浪条件所产生的沉积试验的过程中，通过逆时针转动两个转柄21，两个转柄21带动相对应的丝杆20逆时针转动，使得两个活动板18向远离排水管15的方向移动，两个活动板18带动相对应的挡板22水平移动，两个挡板22可逐渐解除对相对应排水管15底端的封堵，液体产生的波浪拍打在试验箱3左侧或者右侧内壁上时，液体会不断的进入左侧或者右侧的固定筒14内，再经过相对应的排水管15流入水箱2内，试验箱3内的液体逐渐缓慢减小，并且通过调节两个挡板22的水平位置，可改变从相对应排水管15流出的液体流量的大小，即可模拟水位缓慢下降条件的沉积试验；通过打开左侧的截止阀24，使得试验箱3内的液体从左侧的放水管23排出，即可增加水位的下降速度，再打开右侧的截止阀24，使得试验箱3内的液体也从右侧的放水管23排出，即可进一步增加水位的下降速度，进而可模拟水位较为快速下降条件的沉积试验；通过模拟水位下降的沉积试验完成后，通过不定期的交替启动两个水泵25运行，并把两个挡板22调节至对相对应排水管15的底端进行封堵，利用水泵25的运行，可将水箱2内的液体抽送至试验箱3内，并且通过调节相对应的流量调节阀28，可改变流入试验箱3内的液体流量，即可模拟水位缓慢上涨条件以及水位快速上涨条件的沉积实验，试验结束后，停止水泵25和调速电机12运行，工作人员即可分析、研究试验箱内的试验结果；在进行模拟实验的过程中，通过随机开启一个、两个或者三个制热风机32运行，可模拟不同高温环境下的物理沉积模拟实验，通过随机开启一个、两个或者三个制冷风机33运行，可模拟不同低温环境下的物理沉积模拟实验，进而更能够贴合时间环境进行试验操作。
需要说明的是，与正常的沉积体(冲积扇或三角洲)沉积相比，浅水沉积体(冲积扇或三角洲)的形成和发育主要受河流作用的控制，而湖盆的波浪改造作用很弱，其独特的沉积作用形成了浅水沉积体(冲积扇或三角洲)特有的沉积体展布形态，一般认为盆底地形平缓、坡度较小、较为缓慢稳定的沉降背景有利于浅水沉积体(冲积扇或三角洲)的形成，湖平面存在上升期(丰水期)、相对稳定期和下降期(枯水期)3种变化情况，湖平面的升降变化控制了沉积体(冲积扇或三角洲)沉积体的空间展布形态，主要表现在以下两个方面：湖平面上升期，湖水面积扩大，水流带着沉积物在靠陆地一侧沉积；湖平面下降期，湖水面积萎缩，水流带着沉积物向湖盆方向沉积.因此湖平面的上升与下降会使沉积体出现退积和进积两种现象。当沉积体为沉积体(冲积扇或三角洲)时，湖平面上升形成退积型沉积体(冲积扇或三角洲)，湖平面下降则形成进积型沉积体(冲积扇或三角洲)。并且水动力数值模拟方法如下：
本文利用水动力数值模拟软件Delft3D建立模型，Delft3D建立在纳维一斯托克斯方程(简称N-S方程)的基础上，通过使用交替方向法对相应坐标系下的控制方程组进行离散求解。
对于浅水湖盆而言,由于水体相对较浅,在垂向上流速虽有差异,但分层现象并不明显,这种情况下可以认为各相关物理量沿水深变化相对于沿水平方向的变化较小。因此,通过各物理量沿水深积分得到垂向平均的二维浅水方程组来描述水体运动。为此，Delft3D中对N-S方程作了布辛涅斯克假定、静水压假定对方程进行简化，简化的方程如下：
其中：ζ为自由表面到基准面的距离(m)；d为基准面以下的水深(m)；U.V为平均速度(m/s)；Q为单位面积的源或汇流量(m/s)。
动量方程公式如下：
其中:ζ为自由表面到基准面的距离(m)；d为基准面以下的水深(m)；u、v、w分别为x.y和σ方向(垂向)的流速(m/s)；p为流体密度(kg/m3)；P为压强(Pa)；Pu,Pv为压力梯度(kg/(m2·s2)),Fu和Fv是水平雷诺应力(m/s2)；H为总共的水深,H＝d+ζ(m)；E为***的蒸发量(m/s)；Vv为垂直涡流粘度(m2/s)；fv、fu分别为垂直和水平方向的摩擦系数；qin、qout分别为单位体积的来源和下渗(1/s)。
Delft3D中的沉积物类型分为黏性和非黏性泥沙两种。黏性泥沙在水流中的搬运方式为悬浮搬运，非黏性泥沙的搬运方式为悬浮搬运或推移搬运。不同类型的泥沙对应不同的输沙方。当沉积物为粘性泥沙时，对于粘性泥沙我们采用扩散方程进行模拟，公式如下：
其中c为沉积组分的浓度(kg/m3)；u，v，ω为水流的速度分量(m/s)；εs.x，εs.y，εs.z为沉积组分的扩散系数(m2/s)；ωs为沉积组分的沉降速度(m/s)。
对于非粘性泥沙采用VanRijn的沉积物的沉降函数进行模拟，公式如下：
其中：ωs.o为沉降速率(m/s)，s为沉积组分的相对密度ρs/ρw；
Ds为沉积组分代表粒径；v为水体的运动粘度(m2/s)。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，其特征在于：包括底板(1)、水箱(2)和试验箱(3)，所述水箱(2)固定安装在所述底板(1)的顶部，所述试验箱(3)固定安装在所述水箱(2)的顶部，所述试验箱(3)的顶部为开口构造，所述试验箱(3)内放置有泥沙(4)和多个卵石(5)，所述底板(1)的顶部固定安装有U型架(29)，所述U型架(29)的顶部固定安装有电动推杆(6)，所述U型架(29)的顶部开设有竖孔，所述电动推杆(6)的输出轴端贯穿竖孔并固定安装有升降板(7)，所述升降板(7)的底部固定安装有三个制热风机(32)和三个制冷风机(33)，三个所述制热风机(32)和三个所述制冷风机(33)呈等间距交替排布，所述升降板(7)的底部设置有两个水流推动机构，所述试验箱(3)的两侧均固定安装有固定筒(14)，两个所述固定筒(14)相互靠近的一侧均为开口构造，两个所述固定筒(14)均与所述试验箱(3)相连通，两个所述固定筒(14)的底部均固定安装有排水管(15)，两个所述排水管(15)的底端均延伸至所述水箱(2)内，所述水箱(2)上对称设置有两个挡水机构，所述挡水机构包括活动板(18)、轴座(19)、丝杆(20)、转柄(21)和挡板(22)，所述水箱(2)的顶部开设有矩形滑孔(17)，所述活动板(18)的底端滑动贯穿所述矩形滑孔(17)，所述轴座(19)固定安装在所述排水管(15)的外管壁上，所述丝杆(20)转动安装在所述轴座(19)上，所述活动板(18)螺纹套设在所述丝杆(20)上，所述转柄(21)固定安装在所述丝杆(20)远离轴座(19)的一端，所述挡板(22)固定安装在所述活动板(18)的底部，所述挡板(22)的顶部与所述排水管(15)的底端滑动接触，所述试验箱(3)的前侧设置有快速放水机构，所述U型架(29)上对称设置有两个补水机构。
2.根据权利要求1所述的一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，其特征在于：所述水流推动机构包括竖板(8)、横轴(9)、轴套(10)、多个叶片(11)和调速电机(12)，所述竖板(8)固定安装在所述升降板(7)的底部，所述竖板(8)的底端延伸至所述试验箱(3)内，所述横轴(9)转动安装在所述竖板(8)上并位于试验箱(3)内，所述轴套(10)固定套设在所述横轴(9)上并位于竖板(8)的前侧，多个所述叶片(11)均固定安装在所述轴套(10)的外壁上并呈等间距环形排布，所述横轴(9)的后端贯穿所述竖板(8)，所述调速电机(12)固定安装在所述竖板(8)的后侧壁上，所述横轴(9)的后端与所述调速电机(12)的输出轴端固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，其特征在于：所述竖板(8)的后侧固定安装有防水罩(13)，所述调速电机(12)位于所述防水罩(13)内。
4.根据权利要求1所述的一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，其特征在于：所述试验箱(3)的两侧内壁上均固定安装有滤网(16)，两个所述滤网(16)分别与相对应的所述固定筒(14)相适配。
5.根据权利要求1所述的一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，其特征在于：所述矩形滑孔(17)内固定安装有横导杆，所述活动板(18)滑动套设在所述横导杆上。
6.根据权利要求1所述的一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，其特征在于：所述快速放水机构包括两个放水管(23)和两个截止阀(24)，两个所述放水管(23)均固定安装在所述试验箱(3)的前侧，两个所述放水管(23)均与所述试验箱(3)内部相连通，两个所述放水管(23)的底端均延伸至所述水箱(2)内，两个所述截止阀(24)分别固定安装在相对应所述的放水管(23)上。
7.根据权利要求1所述的一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，其特征在于：所述补水机构包括水泵(25)、吸水管(26)、输送管(27)和流量调节阀(28)，所述水泵(25)固定安装在所述U型架(29)的内侧壁上，所述吸水管(26)的一端与所述水泵(25)的吸入端固定连接，所述吸水管(26)远离水泵(25)的一端延伸至所述水箱(2)内，所述输送管(27)的一端与所述水泵(25)的排出端固定连接，所述输送管(27)远离水泵(25)的一端与所述固定筒(14)的顶部固定连接，所述输送管(27)与所述固定筒(14)内部相连通，所述流量调节阀(28)固定安装在所述输送管(27)上。
8.根据权利要求1所述的一种地质特征研究用物理沉积模拟实验装置，其特征在于：所述水箱(2)的前侧内壁上开设有清理口，所述水箱(2)的前侧外壁上通过螺钉固定安装有密封盖板(30)，所述密封盖板(30)与所述清理口相适配，所述水箱(2)的顶部开设有加水孔，所述加水孔内螺纹安装有旋塞(31)。
9.一种权利要求1至8中任一项所述的地质特征研究用物理沉积模拟实验装置的实验方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
S1：将从沉积体(冲积扇或三角洲)地区采取的泥沙(4)、多个卵石(5)和液体依次放入试验箱(3)内，使得多个卵石(5)分散开无规律排布，再打开旋塞(31)，从加水孔处向水箱(2)内注入适量的液体，然后把旋塞(31)旋紧在加水孔内，即完成了在试验箱(3)内模拟沉积体(冲积扇或三角洲)的液体情况，即可进行后续的沉积模拟实验；
S2：S1中的步骤完成后，先顺时针转动两个转柄(21)，两个转柄(21)带动相对应的丝杆(20)顺时针转动，使得两个活动板(18)向靠近排水管(15)的方向移动，两个活动板(18)带动相对应的挡板(22)水平移动，即可先把两个挡板(22)调节至对相对应排水管(15)的底端进行封堵，通过启动电动推杆(6)工作，电动推杆(6)调动升降板(7)和两个竖板(8)下降，使得多个叶片(11)下降至试验箱(3)液体内合适深度时，停止电动推杆(6)工作，通过启动左侧的调速电机(12)转动，使得左侧的调速电机(12)带动左侧的横轴(9)、轴套(10)和多个叶片(11)旋转，利用左侧的多个叶片(11)的旋转，可推动液体从左向右流动，即可模拟拟制造从左向右流动的波浪，同理，通过启动右侧的调速电机(12)转动，使得右侧的调速电机(12)带动右侧的横轴(9)、轴套(10)和多个叶片(11)旋转，利用右侧的多个叶片(11)的旋转，可推动液体从右向左流动，即可模拟制造从右向左流动的波浪，进而通过不定期的交替控制两个调速电机(12)运行，可模拟不同方向的波浪条件的沉积试验；
S3：在模拟不同方向的波浪条件所产生的沉积试验的过程中，通过利用两个调速电机(12)的转速可调特点，可分别控制两个横轴(9)带动相对应的轴套(10)和多个叶片(11)进行不同转速条件的旋转，即可改变所模拟制造的波浪大小，可模拟不同大小的波浪条件的沉积试验；
S4：在模拟不同方向的波浪条件所产生的沉积试验的过程中，通过逆时针转动两个转柄(21)，两个转柄(21)带动相对应的丝杆(20)逆时针转动，使得两个活动板(18)向远离排水管(15)的方向移动，两个活动板(18)带动相对应的挡板(22)水平移动，两个挡板(22)可逐渐解除对相对应排水管(15)底端的封堵，液体产生的波浪拍打在试验箱(3)左侧或者右侧内壁上时，液体会不断的进入左侧或者右侧的固定筒(14)内，再经过相对应的排水管(15)流入水箱(2)内，试验箱(3)内的液体逐渐缓慢减小，并且通过调节两个挡板(22)的水平位置，可改变从相对应排水管(15)流出的液体流量的大小，即可模拟水位缓慢下降条件的沉积试验；
S5：通过打开左侧的截止阀(24)，使得试验箱(3)内的液体从左侧的放水管(23)排出，即可增加水位的下降速度，再打开右侧的截止阀(24)，使得试验箱(3)内的液体也从右侧的放水管(23)排出，即可进一步增加水位的下降速度，进而可模拟水位较为快速下降条件的沉积试验；
S6：通过模拟水位下降的沉积试验完成后，通过不定期的交替启动两个水泵(25)运行，并把两个挡板(22)调节至对相对应排水管(15)的底端进行封堵，利用水泵(25)的运行，可将水箱(2)内的液体抽送至试验箱(3)内，并且通过调节相对应的流量调节阀(28)，可改变流入试验箱(3)内的液体流量，即可模拟水位缓慢上涨条件以及水位快速上涨条件的沉积实验，试验结束后，停止水泵(25)和调速电机(12)运行，工作人员即可分析、研究试验箱内的试验结果；
S7：在进行模拟实验的过程中，通过随机开启一个、两个或者三个制热风机(32)运行，可模拟不同高温环境下的物理沉积模拟实验，通过随机开启一个、两个或者三个制冷风机(33)运行，可模拟不同低温环境下的物理沉积模拟实验，进而更能够贴合时间环境进行试验操作。
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