[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

说明书

本发明公开了一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法。模拟实验腔内初始时刻充满较重流体，通过第一流体注入装置向实验腔内注入染色较轻流体，并利用流场‑浓度场监测系统进行实时观测和数据传输；经过混合的染色流体最终停留在实验腔顶部。单次实验之后，向实验腔底部逐渐注入较重流体，直至实验腔顶部的混合染色流体全部经溢流管流入溢流箱，此时模拟实验腔内的流体回归到初始状态，并可以进行下一次实验。该发明可以利用超重力环境进行异重流体对流的相似模拟实验，大幅度提高模拟实验的相似性，并且可以在一次离心旋转周期内进行多参数组合实验，实验速度快，成本低，监测密度高、精度高、范围大。

技术领域

本发明属于流体流场模拟领域，尤其涉及一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法。

背景技术

对于大尺度的异重流体对流现象，当前多通过数值模拟的方法进行模拟和预测。由于异重流体的对流多同时涉及粘性力和重力，故需要同时满足雷诺相似准则和弗洛德相似准则，而实验室内尺度的模拟实验，受1g重力不可变的限制，多不具备较好的相似性，无法直接用于指导现场流体规律。

近年来，超重力离心机的应用，使得重力在试验中成为一个可调节的变量，基于超重力离心机的土工实验逐渐得到了广泛应用。国内外相关研究中，亦有少量涉及流体的实验(包括渗流实验、土石坝管泳溃坝实验、近海结构稳定实验)，但其中流体的角色多作为一种边界条件，研究人员更关注在水的作用下，土、石、结构的变形应力特性，所设计的土工试验思路多为水作用于土。对于流体本身的流动规律则基本上没有相关研究。

实际上，纯流体的流动规律也是非常有意义的，本发明即是结合超重力离心机的重力可变的特性，提供一种可以大幅度提高流体缩尺实验相似性的实验思路和装置，为人类更好的认识大尺度流体规律提供研究方法和思路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种异重流体的超重力流场模拟实验装置及方法，利用离心机产生的超重力环境，可以保证流体缩尺模拟实验的相似性，结构简单，使用方便，且流场-浓度场监测密度高、精度高、范围大。

本发明的技术方案原理如下：

流体缩尺模拟实验的相似准则有：

1)弗洛德相似准则，即需保证模拟实验与原型实验的弗洛德数相同：

其中，Fr为弗洛德数，v为速度，g为重力速度，l为特征尺度，下标m和p分别代表模型和原型。

2)雷诺相似准则，即需保证模拟实验与原型实验的雷诺数相同：

其中，Re为雷诺数，ρ为密度，为流体粘度，下标m和p分别代表模型和原型。

在常规N倍缩尺试验中，

若需保证弗洛德数相似，将(3)(4)式代入(1)式，可得

为了同时满足雷诺相似准则，将(4)(5)代入(2)式，可得

而对于具体的实验，往往流动性质之外还具有其他性质，故一般要求流动介质尽量采用原介质。

同时相似所需满足的式(6)与实际情况式(7)矛盾，故常重力下无法同时满足弗洛德相似准则和雷诺相似准则。但利用离心机产生的超重力环境，

则将(8)(4)代入(1)式得