管涌物理模型试验中粘度连续测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种管涌物理模型试验中粘度连续测量装置及方法，包括支架系统、动力系统、上、下部旋转杆、探测头、光电感应元件和管涌试验系统。测量时，将探测头置于空气中，使上部旋转杆转动，下部旋转杆随着上部旋转杆转动，在上部、下部旋转杆上分别安置光电感应元件，光电感应元件随着旋转杆而转动，当上、下部旋转杆转动趋于稳定时，并在与支架系统上的固定光电感应元件距离最短位置时接触触动开关，计算机记录上下两组光电感应元件分别接触的第一时间差；将探测头插入管涌试验系统出水口，通过计算机记录上下两组光电感应元件分别接触的第二时间差。两个时间差的差值与泥水混合物的粘度成正比，代入公式即可求出管涌后泥水混合物的粘度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种管涌物理模型试验中粘度连续测量装置及方法技术领域，尤其是涉及到液体粘度的旋转法测量技术。

背景技术

地下工程及水工结构长期处于水面以下时，经常发生管涌破坏。管涌因其工程危害性极大，一直成为水力学研究的重点问题，而又由于其复杂性，因此多采用室内模型试验的手段来研究，其中管涌发生后泥水混合物的粘度测量问题一直是难点。

粘度测量在工业和研究领域中是常规分析，根据其使用的物理原理不同，常用的粘度计可以分为三种类型。第一种是斯托克斯式粘度计，通过分析流体范围内小体运动的以及施加在小体上的拖曳力来计算粘度；第二种是毛细管式粘度计，通过流体的毛细管运动并记录其对时间变化的动力学参数(位置、速度或流速)来计算粘度；第三种是旋转式粘度计，通过将流体插入到由固定部分和旋转圆锥体形成的空腔中。圆锥体旋转引起流体中的旋转运动，其粘度可从旋转速度和施加到圆锥体的扭矩之间的比值获得。由于物理条件限制，前两种方法通常不适用于测量非牛顿流体粘度，而旋转式粘度计可以测量不同速度下非牛顿流体的粘度。但现有的旋转式粘度计采用人工读数，存在运算繁琐，测量速度慢，误差大等缺点，并且不适用于管涌物理模型试验中粘度测量。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单，方便实用，可用于管涌物理模型试验中粘度连续测量的装置，测量试验时管涌发生过程中泥水混合物的粘度变化，研究管涌破坏的发生、发展全过程，为管涌现象的研究提供科学的数据。

本发明采用的技术方案如下：

管涌物理模型试验中粘度连续测量装置，包括支架系统、动力系统、上部旋转杆、下部旋转杆、探测头、光电感应元件和管涌试验系统；在所述的支架系统上安装有上、下连接的上部旋转杆和下部旋转杆，所述的上部旋转杆由动力系统驱动且带动下部旋转杆旋转，下部旋转杆与探测头相连；所述的上部旋转杆、下部旋转杆的一侧各连接一个光电感应元件，两个光电感应元件随着上部旋转杆、下部旋转杆的旋转而转动，且两个光电感应元件分别各自与安装在支架系统上的光电感应元件配合，在上部旋转杆和下部旋转杆转动趋于稳定且安装在旋转杆上的光电感应元件与支架系统上的固定光电感应元件距离最短时，记录此刻的时间。

开始测量时，先将探测头置于空气中，打开动力系统，使得上部旋转杆开始转动，下部旋转杆通过钢丝绳与上部旋转杆相连，并随着上部旋转杆转动，在上部旋转杆和下部旋转杆上分别安置光电感应元件，光电感应元件随着旋转杆而转动，当上部旋转杆和下部旋转杆转动趋于稳定时，并且安装在旋转杆上的光电感应元件与支架系统上的固定光电感应元件件距离最短位置时，接触计算机上的触动开关，计算机记录上下两组光电感应元件分别接触的第一时间差。将探测头插入管涌试验系统出水口处，由于管涌后泥水混合物的阻力作用，导致探测头和下部旋转杆的转速小于上部旋转杆，此时通过计算机可以记录上下两组光电感应元件分别接触的第二时间差。两个时间差的差值与泥水混合物的粘度成正比，代入公式即可求出管涌后泥水混合物的粘度。

所述支架系统，包括可伸缩竖杆和固定螺栓，通过可伸缩竖杆可以调整支架系统的高度，并通过固定螺栓进行固定。

所述上部旋转杆与下部旋转杆通过一个柔性的绳状元件相连，上部旋转杆、下部旋转杆、绳状元件和光电感应元件，外部设置有保护罩，可以有效地保护个重要部件。

所述探测头固定在下部旋转杆下端，保证二者具有相同的转速。

所述管涌试验系统，包括进水口、管涌试样和出水口，管涌试样的底部设置进水口，顶部设置出水口；通过该系统可以开展管涌物理模型试验研究管涌破坏过程。

所述管涌模型试验中粘度连续测量装置使用方法，包括以下步骤：

(1)将探测头置于空气中，打开动力系统，使得上部旋转杆开始转动，下部旋转杆通过钢丝绳与上部旋转杆相连，并随着上部旋转杆转动，在上部旋转杆和下部旋转杆上分别安置光电感应元件，光电感应元件随着旋转杆而转动，并在上部旋转杆和下部旋转杆转动趋于稳定且安装在旋转杆上的光电感应元件与支架系统上的固定光电感应元件距离最短时，计算机分别记录上、下两组光电感应元件此刻的时间，然后求时间差；

(2)进行管涌物理模型试验，从进水口向管涌试样持续加水，并保持出水口畅通，直至在出水口附近观察到管涌现象发生；

(3)将管涌试验系统安装到支架系统的底座上，并通过可伸缩竖杆和固定螺栓调整支架系统的高度，使得探测头恰好位于管涌试验系统的出水口附近；

(4)待上部旋转杆和下部旋转杆转速再次趋于稳定，且安装在旋转杆上的光电感应元件与支架系统上的固定光电感应元件距离最短时，由计算机再次记录上、下两组光电感应元件此刻的时间，然后求时间差；步骤(1)、(4)两个时间差的差值与泥水混合物的粘度成正比，求出管涌后泥水混合物的粘度。

(4)待上部旋转杆和下部旋转杆转速再次趋于稳定时，由计算机记录上下两组光电感应元件分别接触的第二时间差，两个时间差的差值与泥水混合物的粘度成正比，代入公式即可求出管涌后泥水混合物的粘度。

本发明的有益效果如下：

管涌物理模型试验中粘度连续测量装置可以实现管涌物理模型试验中泥水混合物粘度连续测量，解决了管涌发生后泥水混合物粘度难以精确测量的问题。与前人研究相比，更贴近实际应用，所得出的管涌物理模型试验中粘度连续测量装置及测试方法结构简单，便于操作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明结构示意图；

其中1.支架系统；2.可伸缩竖杆；3.固定螺栓；4.动力系统；5.上部旋转杆；6.下部旋转杆；7.钢丝绳；8.探测头；9.固定光电感应元件；10.光电感应元件；11.保护罩；12.管涌试验系统；13.进水口；14.管涌试样；15.出水口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1中，管涌模型试验中粘度连续测量装置，该装置包括支架系统1、动力系统4、上部旋转杆5、下部旋转杆6、钢丝绳7、探测头8、光电感应元件9和10、管涌试验系统12。

在支架系统1上安装有上、下连接的上部旋转杆5和下部旋转杆6，所述的上部旋转杆5由动力系统4驱动且带动下部旋转杆6旋转，下部旋转杆6的底端与探测头相连，且保证二者具有相同的转速；

在上部旋转杆5、下部旋转杆6的一侧各连接一个光电感应元件10，两个光电感应元件10随着上部旋转杆、下部旋转杆的旋转而转动，且两个光电感应元件10分别各自与安装在支架系统上的固定光电感应元件9配合，在上部旋转杆和下部旋转杆转动趋于稳定，且安装在旋转杆上的光电感应元件与支架系统上的固定光电感应元件件距离最短时，接触触动开关，计算机记录上、下两组光电感应元件分别接触的第一时间差，具体的如下：

开始测量时，先将探测头置于空气中，打开动力系统，使得上部旋转杆开始转动，下部旋转杆通过钢丝绳与上部旋转杆相连，并随着上部旋转杆转动，在上部旋转杆和下部旋转杆 上分别安置光电感应元件，光电感应元件随着旋转杆而转动，当上部旋转杆和下部旋转杆转动趋于稳定时，并在与支架系统上的固定光电感应元件件距离最短位置时接触触动开关，计算机记录上下两组光电感应元件分别接触的第一时间差；将探测头插入管涌试验系统出水口处，由于管涌后泥水混合物的阻力作用，导致探测头和下部旋转杆的转速小于上部旋转杆，此时通过计算机可以记录上下两组光电感应元件分别接触的第二时间差。两个时间差的差值与泥水混合物的粘度成正比，代入公式即可求出管涌后泥水混合物的粘度。

实现方式如下：

光电感应元件一种固定于支架系统上，另一种安装在旋转杆上并随着旋转杆做圆周旋转运动，在光电元件旋转一周过程中会有一个距离固定光电感应元件最短的位置，这可以通过在感应元件上安装小型距离感应器或者激光测距装置来实现，当距离最短时引发连接计算机触动开关，计算机会记录这一接触的时间，上下两组光电感应元件均如此记录，但是由于空气和泥水混合物的阻力作用，上下两组光电感应元件的接触时间存在一定时差，这个时差即为需要采集的数据。

进一步的，支架系统1包括可伸缩竖杆2和固定螺栓3，通过可伸缩竖杆可以调整支架系统的高度，并通过固定螺栓进行固定。

进一步的，上部旋转杆5和下部旋转杆6通过钢丝绳7连接，使得下部旋转杆6随着上部旋转杆5进行旋转。

进一步的为了有效地保护各个重要部件，在上部旋转杆、下部旋转杆、钢丝绳7和固定光电感应元件9、光电感应元件10的外部设置有保护罩11，可以有效地保护个重要部件。

进一步的，上部旋转杆、下部旋转杆上、下竖直连接，光电感应元件10水平安装在上部旋转杆、下部旋转杆，固定光电感应元件9水平安装在支架系统的可伸缩竖杆2上；

固定光电感应元件9和光电感应元件10各包括两个，在上部旋转杆上连接一个光电感应元件10，在这个光电感应元件10与一个固定光电感应元件9对应；在下部旋转杆上连接一个光电感应元件10，在这个光电感应元件10与一个固定光电感应元件9对应。

管涌试验系统12，包括进水口13、管涌试样14和出水口15，管涌试样的底部设置进水口13，顶部设置出水口15；通过该系统可以开展管涌物理模型试验研究管涌破坏过程；

具体的，出水口15位于管涌试样14的一侧顶部。

采用上述装置进行管涌模型试验中粘度连续测量的方法，包括以下步骤：

(1)将探测头8置于空气中，打开动力系统4，使得上部旋转杆5开始转动，下部旋转杆6通过钢丝绳7与上部旋转杆5相连，并随着上部旋转杆5转动，在上部旋转杆5和下部 旋转杆6上分别安置光电感应元件10，光电感应元件10随着旋转杆而转动，当上部旋转杆5和下部旋转杆6转动趋于稳定时，并在与支架系统1上的固定光电感应元件9件距离最短位置时接触触动开关，计算机记录上下两组光电感应元件分别接触的第一时间差。

(2)开展管涌物理模型试验，从进水口13向管涌试样14持续加水，并保持出水口15畅通，直至在出水口15附近观察到管涌现象发生。

(3)将管涌试验系统12安装到支架系统1的底座上，，并通过可伸缩竖杆2和固定螺栓3调整支架系统1的高度，使得探测头8恰好位于管涌试验系统12的出水口15附近；

(4)待上部旋转杆5和下部旋转杆6转速再次趋于稳定时，由计算机记录上下两组光电感应元件分别接触的第二时间差，两个时间差的差值与泥水混合物的粘度成正比，代入公式η＝K(Δt,T,C)·η₀；其中η₀和η分别表示空气粘度和泥水混合物的待测粘度；系数K的取值除记录时间差的主控因素外，还与测量实验条件和环境等有关系，需根据实际情况取值；Δt表示两个时间差的差值,T表示温度，C表示试验常数；根据该公式即可求出管涌后泥水混合物的粘度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。