專利名稱：一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)及加載方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模型試驗領(lǐng)域，尤其是一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)及加載方法。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，交通事業(yè)的騰飛，現(xiàn)代施工技術(shù)的進步，大型水下交通工程以其獨特的優(yōu)勢，在交通體系中占據(jù)越來越重要的位置。水下交通工程不占地，不妨礙航行，不影響生態(tài)環(huán)境，不受臺風(fēng)、濃霧等氣候因素影響，是一種非常安全的全天候的交通通道，但大型水下工程在勘察、設(shè)計和施工方面都面臨著更大的困難和風(fēng)險。我國學(xué)者開展了大量的流-固耦合研究工作，但也存在明顯的弱點由于流-固耦合問題的復(fù)雜性，過去的研究往往不做真實水壓條件下的滲流模擬，僅采用柔性加載模擬水壓力的外力等效手段， 不能反映巖體和水耦合作用下的實際情況，也不是真正的流-固耦合相似模擬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，控制精確，用于流-固耦合模型試驗?zāi)M開挖或其他因素影響下的水下交通工程施工過程，研究施工過程力學(xué)、塌方和圍巖變形規(guī)律，尤其是流-固耦合作用下圍巖的物理力學(xué)特性變化規(guī)律的模型試驗中水壓加載控制系統(tǒng)及加載方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)，它包括密封的試驗臺架，試驗臺架內(nèi)鋪設(shè)有若干層相似材料，試驗臺架內(nèi)部、相似材料的上面設(shè)有用于水壓加載的水箱， 試驗臺架的頂部設(shè)有與所述水箱相通的注水孔，注水孔通過水管與試驗臺架外部的水源連接，且注水孔與水源之間設(shè)有控制注水的控制系統(tǒng)。所述試驗臺架為剛性密封臺架，試驗臺架外部采用高強度剛性結(jié)構(gòu)架，內(nèi)部采用高強度鋼化玻璃密封箱。所述高強度鋼化玻璃密封箱采用若干塊高強度鋼化玻璃制作，高強度鋼化玻璃交接處采用隔水性的高強玻璃膠密封。所述相似材料為遇水不軟化崩解的非親水性材料，滲透系數(shù)小于10_5cm/s。所述水箱為密封水箱，相似材料上邊緣與試驗臺架的接觸處用隔水性的凡士林密封，試驗臺架頂部注水孔處采用隔水性的高強玻璃膠密封。所述控制系統(tǒng)由控制開關(guān)、流速計和流量計組成，根據(jù)所需水壓調(diào)節(jié)控制開關(guān)，并通過流速計和流量計進行監(jiān)控。一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)的加載方法，包括以下步
3驟
A.鋪設(shè)相似材料，材料鋪設(shè)到設(shè)計高度后，用凡士林將相似材料與試驗臺架接觸處密
封；
B.試驗臺架封頂，并用隔水性的高強玻璃膠將試驗臺架及注水孔處密封；
C.根據(jù)模型試驗的設(shè)計要求和模型架尺寸，將設(shè)計水壓換算成注入水量，并在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下加入設(shè)計水量；
D.如果設(shè)計所需水頭高度超過水箱高度，需將剩余水頭高度換算成剩余水壓，借助加壓泵施加，同時通過控制系統(tǒng)控制水速，將加壓擾動控制在試驗允許的范圍內(nèi)。本發(fā)明按照實際工程中的上覆水體的厚度，通過相似比換算，得到試驗中的設(shè)計水頭高度；鋪設(shè)相似材料，相似材料要求是遇水不軟化崩解的非親水性材料，滲透系數(shù)在小于10_5cm/s，從而保證水壓的穩(wěn)定；相似材料填筑到設(shè)計高度后，用隔水性的凡士林材料將邊緣密封；進行模型架的封頂，并用防水玻璃膠進行密封；如果水箱的高度大于設(shè)計水頭高度，只需通過由注水開關(guān)、流量計控制，在水箱中注入設(shè)計容量的水體即可；如果水箱的高度達不到設(shè)計水頭高度時，在注滿水箱后，使用加壓泵進行加壓，并通過控制系統(tǒng)控制流量和流速，維持壓力的穩(wěn)定。本發(fā)明研究了模型試驗中外部水壓加載控制系統(tǒng)及加載方法，解決了流-固耦合模型試驗中真實水壓的加載和控制問題。將水壓加載控制系統(tǒng)引入模型試驗中，與前人研究相比，更加真實的模擬固體相似材料與水的相互作用，使流-固耦合模型試驗與工程實踐更加接近，所得到的研究成果適用范圍更廣。本發(fā)明解決了流-固耦合模型試驗中水壓加載和控制問題，具有以下優(yōu)點
1、能成功的在流-固耦合模型試驗中加入真實的水壓，不再使用等效加載方式；
2、實現(xiàn)了水壓作用下，圍巖相似材料與水體的相互耦合，有利于研究流-固耦合的作用機理；
3、成功實現(xiàn)了水壓的穩(wěn)定，選用了合適的密封材料，有效解決了漏水、卸壓現(xiàn)象；
4、實現(xiàn)了流速和流量的有效監(jiān)測和控制，并且根據(jù)實際工程和試驗需要，可以使用加壓泵施加額外水壓，能最大限度的模擬工程實際。


圖I是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意其中I.試驗臺架；2.相似材料；3.水箱；4.凡士林密封圈；5.玻璃膠密封圈；6.注水開關(guān)；7.流量計；8.流速計；9.加壓泵；10.水管；11.水源。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖I中，一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)，包括試驗臺架1，試驗臺架I采用密封設(shè)計，內(nèi)鋪設(shè)有若干層相似材料2，試驗臺架內(nèi)部、相似材料的上面有用于水壓加載的水箱3，試驗臺架的頂部設(shè)有與所述水箱3相通的注水孔，注水孔通過水管10 與試驗臺架I外部的水源11連接，且注水孔與水源11之間設(shè)有控制注水的控制系統(tǒng)。所述試驗臺架I為剛性密封臺架，試驗臺架I外部采用高強度剛性結(jié)構(gòu)架，內(nèi)部采用高強度鋼化玻璃密封箱，高強度鋼化玻璃密封箱采用若干塊高強度鋼化玻璃制作，高強度鋼化玻璃交接處采用隔水性的高強玻璃膠密封。所述相似材料2為遇水不軟化崩解的非親水性材料，滲透系數(shù)在小于10_5cm/s。所述水箱為密封水箱3，相似材料與試驗臺架I的接觸處用隔水性的凡士林密封， 形成凡士林密封圈4，試驗臺架I模型架周邊及頂部注水孔處采用隔水性的高強玻璃膠進行密封，形成玻璃膠密封圈5。所述控制系統(tǒng)由控制開關(guān)6、流速計8和流量計7組成，根據(jù)所需水壓調(diào)節(jié)控制開關(guān)6，并通過流速計8和流量計7進行監(jiān)控。一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)的加載方法，其采用上述加載控制系統(tǒng)，包括以下步驟
A.鋪設(shè)相似材料2，材料鋪設(shè)到設(shè)計高度后，用凡士林4將相似材料與模型架接觸處密
封；
B.模型架封頂，并用隔水性的高強玻璃膠5將模型架及注水孔處密封；
C.根據(jù)模型試驗的設(shè)計要求和模型架尺寸，將設(shè)計水壓換算成注入水量，并在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下加入設(shè)計設(shè)計水量；
D.如果設(shè)計所需水頭高度超過水箱高度，需將剩余水頭高度換算成剩余水壓，借助加壓泵9施加，同時通過控制系統(tǒng)控制水速，將加壓擾動控制在試驗允許的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)，其特征在于它包括密封的試驗臺架，試驗臺架內(nèi)鋪設(shè)有若干層相似材料，試驗臺架內(nèi)部、相似材料的上面設(shè)有用于水壓加載的水箱，試驗臺架的頂部設(shè)有與所述水箱相通的注水孔，注水孔通過水管與試驗臺架外部的水源連接，且注水孔與水源之間設(shè)有控制注水的控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)，其特征在于所述試驗臺架為剛性密封臺架，試驗臺架外部采用高強度剛性結(jié)構(gòu)架，內(nèi)部采用高強度鋼化玻璃密封箱。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)，其特征在于所述高強度鋼化玻璃密封箱采用若干塊高強度鋼化玻璃制作，高強度鋼化玻璃交接處采用隔水性的高強玻璃膠密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)，其特征在于所述相似材料為遇水不軟化崩解的非親水性材料，滲透系數(shù)小于l(T5Cm/S。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)，其特征在于所述水箱為密封水箱，相似材料上邊緣與試驗臺架的接觸處用隔水性的凡士林密封，試驗臺架頂部注水孔處采用隔水性的高強玻璃膠密封。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)，其特征在于所述控制系統(tǒng)由控制開關(guān)、流速計和流量計組成，根據(jù)所需水壓調(diào)節(jié)控制開關(guān)，并通過流速計和流量計進行監(jiān)控。
7.一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)的加載方法，其特征在于，包括以下步驟A.鋪設(shè)相似材料，材料鋪設(shè)到設(shè)計高度后，用凡士林將相似材料與試驗臺架接觸處密封；B.試驗臺架封頂，并用隔水性的高強玻璃膠將試驗臺架及注水孔處密封；C.根據(jù)模型試驗的設(shè)計要求和模型架尺寸，將設(shè)計水壓換算成注入水量，并在控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下加入設(shè)計水量；D.如果設(shè)計所需水頭高度超過水箱高度，需將剩余水頭高度換算成剩余水壓，借助加壓泵施加，同時通過控制系統(tǒng)控制水速，將加壓擾動控制在試驗允許的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于流-固耦合模型試驗中的水壓加載控制系統(tǒng)及加載方法，加載控制系統(tǒng)包括試驗臺架，試驗臺架采用密封設(shè)計，內(nèi)鋪設(shè)有若干層相似材料，試驗臺架內(nèi)部、相似材料的上面有用于水壓加載的水箱，試驗臺架的頂部設(shè)有注水孔和控制裝置，試驗臺架通過水管與試驗臺架外部的加壓泵連接。同時本發(fā)明還公開了所述系統(tǒng)的加壓方法。本發(fā)明研究了模型試驗中外部水壓加載控制系統(tǒng)及加載方法，解決了流-固耦合模型試驗中真實水壓的加載和控制問題。將水壓加載控制系統(tǒng)引入模型試驗中，與前人研究相比，更加真實的模擬固體相似材料與水的相互作用，使流-固耦合模型試驗與工程實踐更加接近，所得到的研究成果適用范圍更廣。
文檔編號G01N3/12GK102607941SQ20121008932
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者周毅, 宋曙光, 張騫, 李利平, 李術(shù)才, 林春金, 王凱, 胡聰, 郭明 申請人:山東大學(xué)