一种用于测量冲击过程中液体流-固转化机理的装置及其方法

摘要

本发明公开了一种用于测量冲击过程中液体流-固转化机理的装置及方法，其中装置包括压力箱体以及设置在压力箱体内的载物槽，在压力箱体上设置有气阀，在压力箱体内还设置有一加载架，载物槽设置在加载架内，在加载架上端设置有一与电机动力装置连接的在加载架上升降的冲击装置，在冲击装置的下端连接有一可作用在载物槽内的冲击物，在冲击物上设置一测速传感器；在载物槽的底面和侧面设置有压力传感器，在加载架上设置有视频采集仪和粒子动态扫描仪；在所述的加载架上还设置有止动块，该止动块位于所述加载装置的正下方。本发明装置能够很好地测量冲击过程中液体流-固转化的临街速度，并可对不同配方进行评价，对配比进行最优化。

说明书

技术领域

本发明是能通过冲击试验对颗粒物质固-液转化过程中基本力学行为进行 研究，了解固-液转化过程中剪切流动与挤压流动的作用贡献率，揭示固-液转 化的内在机理，从而为实际工程应用提供指导，因而广泛应用于化工、纺织、 交通、土建、医疗、国防等诸多技术领域。

背景技术

颗粒物质固-液相态间的转化现象广泛存在于工程地质、自然环境，工业生 产和国防建设等诸多领域，其力学特性在相态转化过程中会发生很大的变化， 是目前颗粒物质力学研究的热点和难点。颗粒物质的固-液转化过程可大体分为 两种，即阻塞与流动状态的转化，以及在流动过程中类固态与类液态力学行为 的转化。在剪切增稠液体中，这种现象尤其常见。

军事上最新的科技成果“液体防弹衣”最能说明这种原理。英国科学家利 用被戏称为“防弹奶蛋糊”的物质，已经制成一种液体防护衣，这种防护衣在 受压后会自动变硬，吸收撞击在它表面的弹片产生的冲击力。研究人员把他们 推导出来的一个秘密化学公式与传统的凯芙拉纤维结合，制成这种“超级护甲”。 当这种衣物的粘性物质与传统的凯芙拉纤维粘贴在一起，可以吸收子弹产生的 冲击力，并通过变稠，对撞击做出反应。他们希望利用这种物质，为前线的士 兵制作更轻、韧性更好和更有效的防护背心。专家之所以会将这种液体称作“防 弹奶蛋糊”，是因为它的分子的结合方式和“变稠”方式，跟搅拌中的甜点奶蛋 糊一样。汤匙搅拌奶蛋糊时，会感觉汤匙受到阻力。当液体防护衣里的液体成 分结合在一起时，也会感到明显的阻力。搅拌的越快，奶蛋糊变地就越硬，因 此当子弹高速撞上该材料时，它会迅速变硬，吸收因撞击产生的冲击力。”液体 防弹衣是由特殊液体制作而成的新型液体盔甲。该液体在受到子弹冲击时会变 硬从而起到阻挡子弹的作用。既能为士兵提供有效保护，同时又能保证他们自 由灵活地运动，不再受到笨重的传统防弹衣的限制。

现在还没有一套实验装置能够很好地用于测量冲击过程中液体流-固转化 过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，而提供能够很好地测 量冲击过程中液体流-固转化的装置和方法。

为解决现存技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于测量冲击过程中液体流-固转化机理的装置,包括压力箱体以及 设置在压力箱体内的载物槽，在所述的压力箱体上设置有气阀，其特征在于： 在所述的压力箱体内还设置有一加载架，所述的载物槽设置在所述的加载架内， 在所述的加载架上端设置有一与电机动力装置连接的在所述加载架上升降的冲 击装置，在所述的冲击装置的下端连接有一可作用在所述载物槽内的冲击物， 在所述冲击物上设置一测速传感器；在所述载物槽的底面和侧面设置有压力传 感器，在所述加载架上设置有视频采集仪和粒子动态扫描仪，所述视频采集仪 和粒子动态扫描仪位于所述载物槽的冲击液体表面之上；在所述的加载架上还 设置有止动块，该止动块位于所述加载装置的正下方。

所述的电机动力装置包括电机以及与所述电机输出轴连接的齿轮，在所述 的冲击装置右侧有齿槽，该齿槽与所述齿轮相接。

所述的冲击物上端螺纹连接有一冲击物底座，所述的测速传感器设置在冲 击物底座内。

所述冲击物底座与冲击装置底座通过电磁铁依靠磁力连接。

在所述的载物槽内设置有振动棒。

所述的冲击物下端面为球面或平面。

所述的平面为正方形或长方形。

本发明用于测量冲击过程中液体流-固转化机理的方法，其特征在于包括以 下步骤：

第一步、将压力传感器、测速传感器、视频采集仪、粒子动态扫描仪和电 动机分别与电脑连接；

第二步、配置具有标记材料的颗粒悬浮液，装入载物槽，并将载物槽放置 于加载架下部的储物室；

第三步、将冲击装置调节至初始位置，并将冲击物连接在冲击装置下端；

第四步、整个冲击装置放置于压力箱体内，密封好压力箱体，调节压力箱 体内部压强到需要大小；

第五步、通过电脑设定电动机转速与转数，以使其驱动冲击装置以一定速 度或加速度向下冲击，并在下降到达止降高度后冲击装置停止运动，通过电磁 铁使冲击物从冲击装置上脱离并作用在载物槽内的颗粒悬浮液表面；

第六步、冲击物冲击液体物料表面时，获取载物槽底面和侧面压力传感器 的压力数据、视频采集仪记录冲击过程中物料表面形状变化数据和粒子动态扫 描仪实时扫描物料内部各个特征点处标记材料的特征粒子的运动形态、运动路 径及分布数据；

第七步、通过视频采集仪采集到的视频画面确定悬浮液在不同冲击物速度 下液面的下降距离并作图，图中的第一转折点对应速度为此种配方下颗粒悬浮 液的流-固转化临界速度。

通过对载物槽侧面和底面压力传感器数据的分析，能够得知颗粒悬浮液对 冲击物的支持力的作用是来源于悬浮液内部颗粒流固转化形成硬核，还是悬浮 液颗粒将冲击力传递到边界上。如果瞬间冲击前载物槽侧面压力传感器数据无 变化，则说明颗粒悬浮液对冲击物的支持力的作用来源于悬浮液内部颗粒流固 转化形成硬核；

借助扫描仪扫描到的颗粒运动情况，能够得知悬浮液瞬间冲击固化时的内 部颗粒作用机理。尤其能够展示出冲击物慢速冲击时悬浮液颗粒是否存在聚集- 突破现象。

通过视频画面的记录能够算出悬浮液液面下降距离。当悬浮液配方一定时， 随着冲击物速度的线性增大，液面凹陷深度增大。随着冲击物速度的持续增大， 液面凹陷深度将出现转折，产生减小趋势。而当冲击物速度增大到一定程度后， 悬浮液液面凹陷深度再次转折，变的非常小且不再随冲击物冲击速度变化。也 就意味着在第一转折点对应速度为此种配方下颗粒悬浮液的流-固转化临界速 度，而在第二转折点对应速度时，此种配方下颗粒悬浮液完全表现出固体性质。 对特定配方颗粒悬浮液临界冲击速度的研究即是探究颗粒物质流固转化的关键 所在。

将不同材料的颗粒和液体按照不同的组份进行配比后形成不用的待测颗粒 悬浮液，并通过本发明的测量装置对不同的颗粒悬浮液的性能进行测试，从而 得到材料在冲击时液体流-固转化过程中不同配方下颗粒悬浮液的流-固转化临 界速度，并找出最佳的配比及颗粒添加物；同时可对不同配方进行评价，对配 比进行最优化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、设计出了多种不同尺寸、不同形状的冲击物，速度控制装置为可精确调 节与控制的电动机，可以准确控制冲击物向下冲击时的速度、加速度，最大可 能地满足了模拟实际存在的冲击现象的要求；

2、冲击试验中应用了多种传感器，从不同方面、不同角度采集信息，加入 了更多的科技元素，简化了信息处理的方式，提高了信息处理的速度，并且极 大地减小了信息采集与处理过程中产生的误差；

3、载物槽中创新性的加入了振动装置，让更多尺度上研究流-固转化成为 可能，能够解决工程难题；

4、外部的压力箱具有正负两种压力工作状态，可以模拟材料在海底或太空 中的工作状态，扩大了本装置与方法的应用领域。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为冲击装置与冲击物连接结构示意图；

图3为电机驱动的齿轮与冲击装置结合部位结构示意图；

图4为球型底面的冲击物的结构示意图；

图5为正方形底面的冲击物的结构示意图；

图6为长方形底面的冲击物的结构示意图。

其中，1、压力箱盖；2、压力箱体；3、气阀；4、加载架；5、支撑滑道； 6、电机动力装置；7、载物槽；8、压力传感器；9、粒子动态扫描仪；10、高 频视频采集仪；11、冲击液体表面；12、振动棒；13、止动块；14、冲击装置； 15、橡胶垫；16、电磁铁；17、冲击物；18、冲击装置侧面齿槽；19、齿轮； 20、冲击物底座；21、不同形状冲击物；22、测速传感器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

如图1所示，一种用于测量冲击过程中液体流-固转化机理的装置,包括压 力箱体、加载架、冲击装置、电机动力装置、各种传感器、电磁铁，不同形状 冲击物、载物槽。传感器包括高频视频采集仪10，粒子动态扫描仪9，压力传 感器8和测速传感器22。

所述的压力箱体2与盖子1闭合之后可密封，其上有气阀3，可通过空气 压缩机向箱体内部充气或抽气，来达到加压或减压。

所述的冲击装置14右侧有齿槽18，与电机的齿轮19相接；电机动力装置 6作为整套仪器的施力装置，其主动齿轮19通过与齿槽18咬合带动冲击装置 14升降；高频视频采集仪10，粒子动态扫描仪9，压力传感器8和测速传感器 22均可通过有线/无线与电脑相连，其中高频视频采集仪10可以记录冲击过程 中物料表面形态变化，粒子动态扫描仪9能够实时扫描物料内部各个特征点处 用特殊材料标记过的特征粒子的运动形态、运动路径及分布情况，压力传感器 8可以实时观测相应位置处的压力，测速传感器22可以观测冲击物运动速度及 加速度；所述的载物槽7的槽底和四周壁上镶嵌有压力传感器8。

所述的外部压力箱体盖子1有气阀3，在需要向内充气或向外吸气时可打 开，完成工作后关闭气阀3，以保持箱体2内压强稳定；所述的压力箱体2上 部是盖子1可打开，打开后可将整个冲击装置至于其内部；冲击物21可以是不 同形状，包括具有球面的底部和正方形平面以及长方形平面的底部，见图4、 图5和图6所示。冲击物21底部有螺纹，通过螺栓与冲击物底座20相连接， 冲击物底座中空，内部置有测速传感器22；所述的冲击物底座20与冲击装置 14底座通过电磁铁16依靠磁力连接；所述的冲击装置14带动冲击物17向下 运动，当冲击装置14最下部碰触到止动块13时，冲击装置14停止运动，电磁 铁16线路断开，冲击物17脱离冲击装置14自由向下冲击。

本发明装置的使用方法如下：

第一步、将各个传感器和电动机与电脑连接，开启各个传感器和电动机， 并调节至正常工作状态；

第二步、配置物料：将不同颗粒组分的剪切增稠液体材料(液体内的颗粒 材料可以包括任何类型，一个或任何多个塑料或聚合物粒子的组合，小的、单 个的固体颗粒或谷物，咖啡渣、玉米淀粉、磨砂玻璃、沙子、大米、锯末、碎 坚果壳,燕麦,燕麦片,金属颗粒,干燥的玉米表皮、盐、种子、地面橡胶、岩石， 和其他已知的材料的颗粒)装入载物槽，并将载物槽稳妥的放置于加载架下部 的储物室；

第三步、将冲击装置调节至初始位置，并将冲击物连接在冲击装置下端；

第四步、整个冲击装置放置于压力箱体内，盖好盖子，调节内部压强到需 要大小；

第五步、通过电脑设定电动机转速与转数，以使其驱动冲击装置以一定速 度或加速度向下冲击，并在下降到达止降高度后停止运动；

第六步、冲击物冲击液体物料表面时，获取载物槽底面和侧面压力传感器 的压力数据、视频采集仪记录冲击过程中物料表面形状变化数据和粒子动态扫 描仪实时扫描物料内部各个特征点处标记材料的特征粒子的运动形态、运动路 径及分布数据；

第七步、通过视频采集仪采集到的视频画面确定颗粒悬浮液在不同冲击物 速度下液面的下降距离并作图，图中的第一转折点对应速度为此种配方下颗粒 悬浮液的流-固转化临界速度。

本发明测量方法通过对容器壁上的压力传感器数据的分析，能够得知颗粒 悬浮液对冲击物的支持力的作用是来源于悬浮液内部颗粒流-固转化形成硬核， 还是悬浮液颗粒将冲击力传递到边界上。如果瞬间冲击前后容器壁上压力传感 器数据无变化，则说明颗粒悬浮液对冲击物的支持力的作用来源于悬浮液内部 颗粒流-固转化形成硬核。

借助扫描仪扫描到的附着有标记材料的颗粒运动情况，能够得知悬浮液瞬 间冲击固化时的内部颗粒作用机理。尤其能够展示出冲击物慢速冲击时悬浮液 颗粒是否存在聚集-突破现象。

通过视频画面的记录能够算出悬浮液液面下降距离。当悬浮液配方一定时， 随着冲击物速度的线性增大，液面凹陷深度增大。随着冲击物速度的持续增大， 液面凹陷深度将出现转折，产生减小趋势。而当冲击物速度增大到一定程度后， 悬浮液液面凹陷深度再次转折，变的非常小且不再随冲击物冲击速度变化。也 就意味着在第一转折点对应速度为此种配方下颗粒悬浮液的流-固转化临界速 度，而在第二转折点对应速度时，此种配方下颗粒悬浮液完全表现出固体性质。 对特定配方颗粒悬浮液临界冲击速度的研究即是探究颗粒物质流固转化的关键 所在。