[发明专利]一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置及其试验方法

说明书

一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，透明圆筒用于容纳试验所需的不规则形状泥沙，且在顶部安装防护罩；两组传送带置于透明圆筒底部，用于支撑透明圆筒且带动其转动；激光器发射的激光束以激光面的形式穿过透明圆筒的圆形截面，通过调节反光镜和透光反光镜，能使激光照射在三个不同的截面从而实现多截面三维观测；高速相机用于拍摄激光照射截面的泥沙颗粒的位移特征，通过数据线与计算机连接以存储其拍摄的图像。以及提供一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验方法。本发明简化非均匀推移质扩散和分选的物理过程，减少除粒径之外的其他干扰项在试验过程中的影响，从而得到更加有规律性的试验数据用于支撑理论研究。

技术领域

本发明涉及河床沉积领域，尤其涉及一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置及其试验方法，用于模拟河床底部不同粒径的泥沙颗粒纵向沉积及其分选、扩散的动力过程。

背景技术

河床底部泥沙颗粒的移动和分选特性对于河口的河床沉积特性和河床沙坡成形具有重要影响。河床的表层通常沉积为粗颗粒泥沙，而细颗粒泥沙通常向河床底部沉积，而该自然界普遍规律形成机理的研究却非常有限。

为了解这一自然现象，人们通常建立物理模型试验，采用不同粒径的颗粒模拟自然界中的粒径不规则、形状各异的泥沙颗粒。试验表明，泥沙颗粒的粒径和形状对其沉积过程及垂直断面的分选特征具有重要的影响。因此，通过简化的物理模型试验进一步探寻不规则形状泥沙的分选规律，并为其寻找理论模型，是未来研究的必然方向。

当前常用的泥沙沉积规律及其分选过程试验装置，通常是建立室内长缓坡水槽模拟自然界中的河床，并依据相似理论确定泥沙颗粒的粒径范围，通过长时间在水槽上游侧注水和供给不同粒径和形状的颗粒，来模拟河流的流动推动槽底泥沙的沉积和分选。该方案需要在注水的同时，在上游侧持续供入泥沙颗粒，泥沙颗粒在上游侧进入水槽后，一部分被水流携带流出水槽尾端，另一部分沉积到水槽底部。该方案的问题在于，一、推移质在水槽中运动存在的随机过程导致该方案得到的试验数据不够简化，而理论研究通常是简化模型，该方案难以为理论研究提供支撑；二、水的流速和对应的颗粒供给速率的对应关系调控的可操作范围过大，一定程度上增加了对于不同粒径和形状颗粒堆积和分选的普适规律的把控难度。三、颗粒供给过程中的误差无法避免，输沙量难以精确控制。四、室内长水槽为了保证试验尺度，占用空间通常过大，只能用于研究泥沙颗粒沉积规律的试验，往往只关注宏观的堆积规律，并不能实时的捕获堆积过程中流体的速度场和推移质的位移特征。

因此，提供一种简化试验装置来取代当前繁杂且数据难以利用分析的水槽设计的试验模型，是科研人员和工程技术人员努力追求的方向，也是对非均匀推移质扩散和分选进行深入的理论研究的必要条件。

发明内容

为了克服现有技术的非均匀推移质扩散和分选的物理过程复杂、有效性较差的不足，本发明提供了一种滚筒式非均匀推移质颗粒分选试验装置及其试验方法。针对不同粒径的推移质分选设计试验装置，简化非均匀推移质扩散和分选的物理过程，减少除粒径之外的其他干扰项在试验过程中的影响，从而得到更加有规律性的试验数据用于支撑理论研究。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种滚筒式不规则形状泥沙分选三维试验装置，包括支架及其安装在支架上的透明圆筒、两组传送带、激光设备及光学镜片和高速相机，所述的透明圆筒用于容纳试验所需的不规则形状泥沙，且在避开激光照射范围和相机拍摄范围的顶部安装防护罩，且将防护罩固定在支架上；所述的两组传送带置于透明圆筒底部，用于支撑透明圆筒且带动其转动，两者衔接部分均设置为齿轮形状；所述的激光设备及光学镜片包括一个激光器，所述的激光器发射的激光束通过光学镜片的作用，以激光面的形式穿过透明圆筒的圆形截面，激光束在圆柱型滚筒中照亮的截面为相机的拍摄区域，通过调节反光镜和透光反光镜，能使激光照射在三个不同的截面从而实现多截面三维观测；所述的高速相机用于拍摄激光照射截面的泥沙颗粒的位移特征，通过数据线与计算机连接以存储其拍摄的图像。