[发明专利]一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法

权利要求书

1.一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，包括控制中枢、离心机、第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔、溢流箱和流场-浓度场监测系统；

所述离心机采用臂式土工离心机；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、模拟实验腔、溢流箱和流场-浓度场监测系统均置于底板上，所述底板安装在所述离心机的一侧吊篮上，所述离心机的另一侧吊篮上设置配重块，配重块采用铁块或者铅块，用于维持离心机两侧的质量平衡；所述第一流体注入装置、第二流体注入装置、溢流箱均通过各自的管路与模拟实验腔连通；所述第一流体的密度小于第二流体；

所述模拟实验腔尺寸为原型的1/N，其上设置第一流体注入管、第二流体注入管和溢流管；所述第一流体注入管为可更换的不锈钢射流管，与第一流体注入装置连接，用于向模拟实验腔内注入第一流体，通过更换不锈钢射流管调整超重力流场模拟实验的射流管口尺寸参数；所述第二流体注入管置于模拟实验腔的底部，与第二流体注入装置连接，用于向模拟实验腔内注入第二流体；所述溢流管置于模拟实验腔的顶部附近，与溢流箱连接，用于排出模拟实验腔内高于溢流管的流体，以保证模拟实验腔的液面稳定；

所述控制中枢控制第一流体注入装置、第二流体注入装置的注入行为，包括开闭时间及注入流量，控制离心机的离心超重力为N³；所述流场-浓度场监测系统用于实时采集模拟实验腔中流场变化图像，并传输给控制中枢分析流场和浓度场。

2.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述第一流体注入装置包括第一流体储存箱、步进电机、螺旋推杆、活塞筒、固定支架、三通转接头、第一单向阀和第二单向阀；所述步进电机和活塞筒通过固定支架固定在底板上，所述步进电机与活塞筒通过螺旋推杆相连，所述螺旋推杆的行进方向平行于离心机产生的超重力方向，以利用离心机运转产生的超重力场降低螺旋推杆的推力需求，所述活塞筒与三通转接头的第一接头通过管路连通，三通转接头的第二接头通过管路连通第一流体储存箱，在管路设有第一单向阀，第一流体可以从第一流体储存箱流向活塞筒，三通转接头的第三接头通过管路连通模拟实验腔，在管路上设有第二单向阀，第一流体可以从活塞筒流向模拟实验腔；所述步进电机通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的转速、转数及转动方向指令，以精准控制螺旋推杆的行进速度和距离，可以定量实现活塞筒抽拉补充第一流体及向模拟实验腔推进第一流体。

3.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述第二流体注入装置包括第二流体储存箱；所述第二流体储存箱与模拟实验腔连通的管路上设置蠕动泵，在蠕动泵的作用下将第二流体注入模拟实验腔；或者，所述第二流体储存箱与模拟实验腔连通的管路上设置电磁阀，且第二流体储存箱的水位高于模拟实验腔，在重力作用与电磁阀的配合下将第二流体注入模拟实验腔；所述蠕动泵或电磁阀通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的指令。

4.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述流场-浓度场监测系统通过离心机的导电滑环与控制中枢相连，接收来自控制中枢的指令，在离心机运转产生的超重环境下实时监测模拟实验腔内的流体对流流场和浓度场，并将监测数据回传到控制中枢。

5.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验腔为透明长方体模型箱。

6.根据权利要求1所述的一种异重流体的超重力流场模拟实验装置，其特征在于，所述第一流体为染色淡水，所述第二流体为卤水，所述模拟实验腔为模拟盐腔；在实验开始时模拟盐腔内充满浓度均匀的浓卤水，对应实际盐腔内的卤水状态；在离心机旋转过程中，染色淡水注入模拟盐腔，与模拟盐腔内的浓卤水混合，进行超重环境下的超重力流场模拟实验，可以等比例还原原型盐腔内的淡卤水流体对流状态；在一次超重力流场模拟实验结束后，向模拟盐腔注入浓卤水，排出顶部的混合染色流体，模拟盐腔回归初始状态。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述装置进行异重流体的超重力流场模拟实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：离心机启动，使离心超重力加速度达到地球常重力加速度的N³倍，N为该次模拟实验的缩尺比例；

步骤2：通过第二流体注入装置向模拟实验腔内注满第二流体；

步骤3：通过第一流体注入装置向模拟实验腔内注入染色的第一流体，通过流场-浓度场监测系统对第一流体的注入、上浮、与第二流体混合行为进行实时流场-浓度场监测；

步骤4：等待流场稳定，具体为注入的染色第一流体与第二流体的混合染色流体稳定浮于模拟实验腔顶部；

步骤5：通过第二流体注入装置向模拟实验腔底部注入第二流体，模拟实验腔内液面升高，顶部的混合染色流体经溢流管排出到溢流箱中；

步骤6：待全部混合染色流体排出之后，停止第二流体的注入，一次超重力下异重流体的混合对流模拟实验完成；

步骤7：设置不同的第一流体注入流量、注入管口尺寸和时间，重复步骤3-6，观测不同射流流量、射流管口尺寸和时间下，异重流体在超重力下的对流混合规律。