自分层碎屑流中离散相流场标定装置的制作方法

本技术涉及固液两相流的物理模型和测量系统，具体涉及自分层碎屑流中离散相流场标定装置。

背景技术：

1、碎屑流是地球物理过程中常伴随的重要流动现象。如火山喷发造成的岩浆、海底滑坡衍生的浊流、泥石流自加速、沙尘暴入侵以及极寒地区的雪崩等。由于上述物理过程发生的随机性以及破坏性，使对其的现场观测难以进行。物理模型实验成为研究碎屑流宏观传播过程以及微观湍流结构的主要替代手段。碎屑流中挟带不同粒径以及比重的砂砾石颗粒，在垂向上由于沉降速率不一致而形成浓度梯度。垂向浓度自分层特性是决定碎屑流侵袭范围以及破坏程度的关键。目前，通过物理模型装置，多种侵入或非侵入式测量已经陆续应用于碎屑流的局部浓度或者速度测量，但是其要求碎屑流中颗粒级配均一，即流体挟带的砂砾石颗粒在垂向分布上必须是单一且均匀的，这与自然环境中的真实碎屑流相差甚远。另外，碎屑流在垂向上的浓度与速度标定一直难以匹配，这是因为碎屑流中的颗粒是离散相，而流体是连续相。这就造成常用的侵入或非侵入式测量设备在保证流场连续的情况下，难以精确标定离散碎屑流颗粒，从而造成垂向浓度场的测量误差；而在保证碎屑流颗粒浓度离散的情况下，难以耦合连续流场的标定，造成垂向速度场的测量误差。当考虑碎屑流的浓度自分层特性时，垂向的浓度与速度匹配标定更难以解决。上述问题严重限制了对碎屑流流场结构的准确认知，进而影响到相关地质灾害防护工作的开展。

技术实现思路

1、本实用新型针对现有技术的不足，提供了自分层碎屑流中离散相流场标定装置。具体地说，本实用新型装置通过垂向压力修正以及流向压力重置，实现自分层碎屑流与均匀碎屑流中离散相和连续相的系踪化；通过同步声学增强，实现分层碎屑流与均匀碎屑流中连续相的自相关率定以及两者中离散相的的互相关率定；结合相位光学衰减，利用准单相流中连续相的背景流场，标定分层碎屑流中连续相与离散相的速度场与浓度场。

2、本实用新型采用的技术方案是：

3、自分层碎屑流中离散相流场标定装置，包括四个子系统：分支管道系统、压差修正重置系统、声光耦合标定系统以及配件系统。

4、所述分支管道系统为整体系统提供基础的物理框架，所述压差修正重置系统中各子组件固接于所述分支管道系统上，所述声光耦合标定系统安装于所述分支管道系统的下游端，所述配件系统中各子组件分布固接在所述分支管道系统、压差修正重置系统及声光耦合标定系统上；所述分支管道系统用来生成分层碎屑流、均匀碎屑流以及准单相流；所述压差修正重置系统用来调整分层碎屑流与均匀碎屑流的系踪压力值；所述声光耦合标定系统通过同步声学增强和相位光学衰减相结合，分别率定分层碎屑流与均匀碎屑流中连续相和离散相，利用准单相流中连续相的背景流场，以此匹配和标定分层碎屑流中连续相与离散相；所述配件系统保证整体装置的完整性，实现所述分支管道系统中的自分层碎屑流、均匀碎屑流和准单相流的循环流动。

5、进一步地，所述分支管道系统包括均匀碎屑流分管道、分层碎屑流分管道、准单相流分管道、收缩分管道、出流总管道、回流总管道；出流总管道位于均匀碎屑流分管道与分层碎屑流分管道的上游端，出流总管道与均匀碎屑流分管道互相垂直，出流总管道与分层碎屑流分管道互相垂直，均匀碎屑流分管道与分层碎屑流分管道的中轴线皆保持水平，分层碎屑流分管道与均匀碎屑流分管道并联；均匀碎屑流分管道中生成均匀碎屑流；分层碎屑流分管道中生成分层碎屑流；分层碎屑流分管道的管道半径沿流向渐扩，其最小管道半径是最大半径管径的十分之一，以强化分层碎屑流在垂向的浓度分层；均匀碎屑流分管道管道半径至多是分层碎屑流分管道的平均管道半径的五分之一；收缩分管道串联于分层碎屑流分管道的下游端，通过管道半径骤变，将分层碎屑流转换为均匀碎屑流；收缩分管道的管道半径至多是分层碎屑流分管道最大管道半径的二十分之一；准单相流分管道中生成准单相流；分层碎屑流分管道与均匀碎屑流分管道汇入准单相流分管道；准单相流分管道中轴线保持竖直；回流总管道串联于准单相流分管道的下游端；回流总管道与准单相流分管道位置关系为互相垂直。

6、进一步地，所述压差修正重置系统包括均匀碎屑流1#调压器、均匀碎屑流2#调压器、均匀碎屑流3#调压器、分层碎屑流1#下调压器、分层碎屑流2#下调压器、分层碎屑流3#下调压器、分层碎屑流1#上调压器、分层碎屑流2#上调压器、分层碎屑流3#上调压器、1#平压管、2#平压管、3#平压管、上恒压线、下恒压线；均匀碎屑流1#调压器、均匀碎屑流2#调压器及均匀碎屑流3#调压器分别安装于均匀碎屑流分管道的上表面的上游端、中端以及下游端；分层碎屑流1#下调压器、分层碎屑流2#下调压器及分层碎屑流3#下调压器分别安装于分层碎屑流分管道的下表面的上游端、中端以及下游端；分层碎屑流1#上调压器、分层碎屑流2#上调压器及分层碎屑流3#上调压器分别安装于分层碎屑流分管道的上表面的上游端、中端以及下游端；均匀碎屑流1#调压器、分层碎屑流1#下调压器、分层碎屑流1#上调压器的垂向位置关系是在同一竖直线上；均匀碎屑流2#调压器、分层碎屑流2#下调压器、分层碎屑流2#上调压器的垂向位置关系是在同一竖直线上；均匀碎屑流1#调压器、分层碎屑流1#下调压器、分层碎屑流1#上调压器的垂向位置关系是在同一竖直线上；均匀碎屑流3#调压器、分层碎屑流3#下调压器、分层碎屑流3#上调压器的垂向位置关系是在同一竖直线上；1#平压管连接均匀碎屑流1#调压器及分层碎屑流1#下调压器；2#平压管连接均匀碎屑流2#调压器及分层碎屑流2#下调压器；3#平压管连接均匀碎屑流3#调压器及分层碎屑流3#下调压器；上恒压线连接分层碎屑流1#上调压器、分层碎屑流2#上调压器及分层碎屑流3#上调压器；下恒压线连接分层碎屑流1#下调压器、分层碎屑流2#下调压器及分层碎屑流3#下调压器；压差修正重置系统的垂向压力修正以及流向压力重置，实现自分层碎屑流与均匀碎屑流中离散相和连续相的系踪化。

7、进一步地，所述声光耦合标定系统包括均匀碎屑流折射抵消箱、分层碎屑流折射抵消箱、多口激光发射器、数据同化主机、均匀碎屑流1#声学接口、均匀碎屑流2#声学接口、均匀碎屑流声学换能器、分层碎屑流1#声学接口、分层碎屑流2#声学接口、分层碎屑流声学换能器、准单相流1#光学接口、准单相流2#光学接口、准单相流光学换能器；均匀碎屑流折射抵消箱与分层碎屑流折射抵消箱内充满与所述分支管道系统中连续相相同的流体，以消除光学折射对同步声学增强波段的干扰；均匀碎屑流折射抵消箱包裹于均匀碎屑流分管道的下游端；分层碎屑流折射抵消箱包裹于分层碎屑流分管道与收缩分管道的连接处；均匀碎屑流1#声学接口、均匀碎屑流2#声学接口、均匀碎屑流声学换能器、分层碎屑流1#声学接口、分层碎屑流2#声学接口、分层碎屑流声学换能器、准单相流1#光学接口、准单相流2#光学接口以及准单相流光学换能器均连接数据同化主机；数据同化主机用来同化各声光接口的数据并存储；均匀碎屑流1#声学接口、均匀碎屑流2#声学接口及均匀碎屑流声学换能器正对均匀碎屑流分管道的中轴线；均匀碎屑流1#声学接口与均匀碎屑流2#声学接口对称布置于均匀碎屑流声学换能器的两侧；均匀碎屑流声学换能器位于均匀碎屑流折射抵消箱的竖向中轴线上；分层碎屑流1#声学接口、分层碎屑流2#声学接口及分层碎屑流声学换能器正对分层碎屑流分管道的中轴线；分层碎屑流1#声学接口与分层碎屑流2#声学接口对称布置于分层碎屑流声学换能器的两侧；分层碎屑流声学换能器位于分层碎屑流折射抵消箱的竖向中轴线上；多口激光发射器发射的三束激光分别正对准单相流1#光学接口、准单相流2#光学接口及准单相流光学换能器；准单相流1#光学接口、准单相流2#光学接口及准单相流光学换能器正对准单相流分管道的中轴线；准单相流1#光学接口与准单相流2#光学接口对称布置于准单相流光学换能器的两侧；通过声光耦合标定系统的同步声学增强，实现分层碎屑流与均匀碎屑流中连续相的自相关率定以及两者中离散相的互相关率定；结合声光耦合标定系统的相位光学衰减，利用准单相流中连续相的背景流场，标定分层碎屑流中连续相与离散相的速度场与浓度场。

8、进一步地，所述配件系统包括恒压水槽、1#阀门、2#阀门、3#阀门、砂砾石滤网、湍流网、总循环水泵、准单相流生成泵；恒压水槽内配置所需的碎屑流；恒压水槽连接出流总管道和回流总管道；恒压水槽的内压保持恒定；1#阀门安装于出流总管道的上游端，1#阀门控制出流总管道的启闭；2#阀门安装于均匀碎屑流分管道的上游端，2#阀门控制均匀碎屑流分管道的启闭；3#阀门安装于分层碎屑流分管道的上游端，3#阀门控制分层碎屑流分管道的启闭；砂砾石滤网只允许恒压水槽内最小粒径的砂砾石通过；砂砾石滤网安装于出流总管道与分层碎屑流分管道连接处的下游端；砂砾石滤网安装于2#阀门的上游端；砂砾石滤网将出流总管道内的碎屑流初步分为均匀碎屑流和分层碎屑流；湍流网固定于分层碎屑流分管道的上游端，湍流网将流入分层碎屑流分管道中的碎屑流流态变为湍流，促进分层碎屑流在垂向的浓度分层；总循环水泵安装于回流总管道的下游端，总循环水泵为所述分支管道系统内流动循环提供动力；准单相流生成泵安装于准单相流分管道的上游端，为准单相流分管道内离散相匹配连续相的背景流场提供动力。

9、本实用新型的有益效果是：

10、1、本实用新型结构巧妙，组件简单，整体性好。

11、2、通过装置的垂向压力修正以及流向压力重置，实现自分层碎屑流与均匀碎屑流中离散相和连续相的系踪化。

12、3、通过装置的同步声学增强，实现分层碎屑流与均匀碎屑流中连续相的自相关率定以及两者中离散相的互相关率定。

13、4、结合装置的相位光学衰减，利用准单相流中连续相的背景流场，标定分层碎屑流中连续相与离散相的速度场与浓度场。