本發(fā)明涉及一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的裝置和方法，屬于超常顆粒沉降特性的實驗流體力學領域。

背景技術：

在深海采礦、水利輸煤、石油開采、液固流化床、河流挾砂、疏浚工程、粉體工程、陸地豎井采礦等工程領域中，存在大量帶有超常顆粒的多相流動，所謂超常顆粒是指形狀復雜的非球形顆粒和尺寸極小的納米顆粒。在上述的多相流動中，粗顆粒沉降是最簡單的一種運動形式，粗顆粒沉降試驗裝置是上述工程領域的基本試驗裝置之一，能夠簡單、快速、準確地測量確定粗顆粒固體物的自由沉降速度，進而可為工業(yè)設計和優(yōu)化提供科學依據(jù)。

目前在對測量粗顆粒固體物自由沉降速度的裝置及方法中，經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請《確定絮體/污泥顆粒物自由沉降速度的方法及其系統(tǒng)》（申請?zhí)枺?00810222184.0；公開號：CN 101672861 A）以及中國專利《煤漿沉降速度測定裝置》（申請?zhí)枺?01220059432.6；公開號：CN 202421206 U）提供了兩種測定顆?；蝾愵w粒自由沉降速度的試驗裝置系統(tǒng)及其測量方法，該兩種試驗裝置能夠簡單、快捷地測定單個粗顆粒的自由沉降速度，但是在科研與工程實際測量中如果對同一粗顆粒只測量一次就確定其自由沉降速度，有可能存在很大的人為操作誤差，致使測定的粗顆粒自由沉降速度不夠準確，為消除可能存在的人為操作誤差對粗顆粒自由沉降速度的影響，需要對同一粗顆粒進行多次測量取均值。因此，上面兩套專利試驗裝置在對多個具有固定編號的粗顆粒進行一次測量或?qū)ν粋€粗顆粒進行多次測量其自由沉降速度時，將存在以下缺陷：對多個具有固定編號的粗顆粒進行一次測量時，測量完一個顆粒就要將沉降筒中的清水全部排出，取出該顆粒后再對下一個顆粒進行測量，重復該步驟，直至測量完所有顆粒為止，試驗過程費時費力；對同一粗顆粒進行多次測量時，測完一次就要將沉降筒中的清水全部排出，取出該顆粒后再對該顆粒進行第二次測量，重復該步驟，直至測量多次為止，試驗過程依然費時費力。

對于中國專利申請《確定絮體/污泥顆粒物自由沉降速度的方法及其系統(tǒng)》中的沉降裝置的高度為350mm，只能測量自由沉降速度較小的粗顆粒固體物，而對于等效粒徑為毫米級、密度較大的粗顆粒固體物自由沉降速度的測量誤差很大，甚至無法測量，因為該沉降裝置高度太小，不能保證粗顆粒固體物達到勻速運動狀態(tài)，測量的可能是粗顆粒正在加速運動階段的平均速度，將導致計算的粗顆粒固體物的自由沉降速度偏小。

中國專利《一種測定風傳植物種子垂直沉降速度的裝置及方法》（申請?zhí)枺?01110163256.0；公開號：CN 102353805 A）是基于光電檢測技術，可以選擇不同內(nèi)徑和長度的沉降管對風傳植物種子垂直沉降速度進行多次重復測量，而且對測量同一顆植物種子的垂直沉降速度具有測量精度高、穩(wěn)定性高以及重復性好等優(yōu)點，但是由于該測定裝置的沉降管下端是敞開的，因此，無法使用該裝置對粗顆粒固體物在流體（清水）中的自由沉降速度進行測量。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的裝置，解決了現(xiàn)有的測定顆粒或類顆粒自由沉降速度的試驗裝置在對多個具有固定編號的粗顆粒進行一次測量或?qū)ν粋€粗顆粒進行多次測量其自由沉降速度時存在試驗過程費時費力、測量精度不高的問題，本發(fā)明具有裝置簡單、造價低、經(jīng)濟實用、操作便捷、測量精度高等特點。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的方法。

本發(fā)明的技術方案是：

一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的裝置，主要由沉降筒1、高速攝像機11和面光源13組成；沉降筒1是內(nèi)徑不小于150mm的透明圓柱形容器，可消除沉降筒邊壁對粗顆粒自由沉降速度的影響，在距筒口至少0.5m處，設有長度不小于0.5m的刻度，刻度的分度值為1mm，刻度下方設有蝶閥3，蝶閥3下方的筒壁一側設有開口，開口上設有帶螺紋的盲蓋4，另一側設有上下兩個開口，上開口接有“L”型側支管7，與空氣連通，“L”型側支管7出口位置高于蝶閥3的位置，下開口接有水平側支管8，水平側支管8通過塑料排水軟管9與集水容器10連接，“L”型側支管7和水平側支管8上各安裝一個截止閥6；沉降筒1底部設有底座5；

高速攝像機11與面光源13分別設置在沉降筒1的兩側，且正對沉降筒1設有刻度部分；面光源13與沉降筒1間設有均光紙14；面光源13亮度可調(diào)節(jié)。

所述沉降筒1為亞克力有機玻璃或PVC材質(zhì)；沉降筒1可以為一個整體，也可以是由可拆卸的多段沉降筒組成。

所述設有帶螺紋的盲蓋4的開口的下邊緣位置略高于連接水平側支管8的下開口的下邊緣位置。

一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的方法，包括以下步驟：

1）打開蝶閥3、擰緊帶螺紋的盲蓋4、關閉截止閥6；

2）向沉降筒1注入清水，直至沉降筒1被灌滿為止；

3）調(diào)整高速攝像機支架12的高度，使高速攝像機11鏡頭正對沉降筒1刻度的中部位置；打開面光源13，在面光源13與沉降筒1間放置一張均光紙14，并根據(jù)高速攝像機11鏡頭畫面的清晰度調(diào)節(jié)其亮度；

4）將粗顆粒固體物從沉降筒1的筒口中心位置自由落下，用高速攝像機11對粗顆粒固體物在沉降筒1中的運動軌跡進行高速拍照，獲得粗顆粒固體物在不同時間點運動的多幀圖像；

5）對粗顆粒固體物運動軌跡以間隔相等的時間△t，以及將拍攝照片所示的粗顆粒自由沉降的距離△s繪制在s-t坐標紙上，s-t坐標紙上直線段的斜率值就是粗顆粒固體物的自由沉降速度；

6）待粗顆粒固體物落到沉降筒1底部后，關閉蝶閥3、打開截止閥6讓沉降筒1中蝶閥3以下的清水從水平側支管8通過塑料排水軟管9排到集水容器10中暫時儲存，再擰開帶螺紋的盲蓋4，取出該粗顆粒固體物；然后擰緊帶螺紋的盲蓋4，升高集水容器10，使集水容器10中的水流回沉降筒1中，關閉截止閥6；

7）如果要對多個有固定編號的粗顆粒進行一次測量或同一個粗顆粒進行多次測量其自由沉降速度時，重復步驟4）～6）即可。

與現(xiàn)有測量粗顆粒固體物自由沉降速度的裝置相比，本發(fā)明的有益效果是：具有裝置簡單、造價低、經(jīng)濟實用、操作便捷、測量精度高等特點；可以對等效粒徑為毫米級、甚至厘米級的粗顆粒固體物進行自由沉降速度的測定；特別是能夠?qū)Χ鄠€具有固定編號的粗顆粒進行一次測量或?qū)ν粋€粗顆粒進行多次測量實現(xiàn)簡單、快速、準確、省時省力的測定，可為工業(yè)設計和優(yōu)化提供科學依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述沉降筒為一個整體的裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明所述沉降筒由可拆卸的多段沉降筒組成的裝置示意圖。

圖中：1-沉降筒，2-法蘭，3-蝶閥，4-帶螺紋的盲蓋，5-底座，6-截止閥，7-“L”型側支管，8-水平側支管，9-塑料排水軟管，10-集水容器，11-高速攝像機，12-高速攝像機支架，13-面光源，14-均光紙。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

實施例1

如圖1所示，一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的裝置，主要由沉降筒1、高速攝像機11和面光源13組成；

沉降筒1是內(nèi)徑為150mm的整體亞克力有機玻璃透明圓柱形容器，長1.5m；在距筒口0.5m處，設有長0.5m的刻度，刻度的分度值為1mm，刻度下方設有蝶閥3，蝶閥3下方的筒壁一側設有直徑為100mm的開口，開口上設有帶螺紋的盲蓋4，另一側設有上下兩個開口，上開口接有“L”型側支管7，與空氣連通，“L”型側支管7出口位置高于蝶閥3的位置，下開口接有水平側支管8，水平側支管8通過塑料排水軟管9與集水容器10連接，設有帶螺紋的盲蓋4的開口的下邊緣位置略高于連接水平側支管8的下開口的下邊緣位置；“L”型側支管7和水平側支管8上各安裝一個截止閥6；沉降筒1底部設有底座5；

高速攝像機11與面光源13分別設置在沉降筒1的兩側，且正對沉降筒1設有刻度部分；面光源13與沉降筒1間設有均光紙14。

實施例2

如圖2所示，一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的裝置，主要由沉降筒1、高速攝像機11和面光源13組成；

沉降筒1是內(nèi)徑為500mm的PVC透明圓柱形容器，長5.5m，由可拆卸的四段沉降筒組成，各段沉降筒之間通過法蘭2連接在一起；最上面的一段沉降筒長2.0m，第二段沉降筒長1.5m且筒壁設有刻度，刻度的分度值為1mm，第三段沉降筒上設有蝶閥3，最下面的一段沉降筒筒壁上一側設有直徑為100mm的開口，開口上設有帶螺紋的盲蓋4，另一側設有上下兩個開口，上開口接有“L”型側支管7，與空氣連通，“L”型側支管7出口位置高于蝶閥3的位置，下開口接有水平側支管8，水平側支管8通過塑料排水軟管9與集水容器10連接，設有帶螺紋的盲蓋4的開口的下邊緣位置略高于連接水平側支管8的下開口的下邊緣位置；“L”型側支管7和水平側支管8上各安裝一個截止閥6；沉降筒1底部設有底座5；

高速攝像機11與面光源13分別設置在沉降筒1的兩側，且正對沉降筒1設有刻度部分；面光源13與沉降筒1間設有均光紙14。

實施例3

一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的方法，包括以下步驟：

1）所有的試驗設備架設、安裝、連接準備完畢后，打開蝶閥3、擰緊帶螺紋的盲蓋4、關閉截止閥6；

2）向沉降筒1注入清水，直至沉降筒1被灌滿為止；

3）調(diào)整高速攝像機支架12的高度，使高速攝像機11鏡頭正對沉降筒1刻度的中部位置；打開面光源13，在面光源13與沉降筒1間放置一張均光紙14，并根據(jù)高速攝像機11鏡頭畫面的清晰度調(diào)節(jié)其亮度；

4）將粗顆粒固體物從沉降筒1的筒口中心位置自由落下，用高速攝像機11對粗顆粒固體物在沉降筒1中的運動軌跡進行高速拍照，獲得粗顆粒固體物在不同時間點運動的多幀圖像；

5）對粗顆粒固體物運動軌跡以間隔相等的時間△t，以及將拍攝照片所示的粗顆粒自由沉降的距離△s繪制在s-t坐標紙上，s-t坐標紙上直線段的斜率值就是粗顆粒固體物的自由沉降速度；

6）待粗顆粒固體物落到沉降筒1底部后，關閉蝶閥3、打開截止閥6，讓沉降筒1中蝶閥3以下的清水從水平側支管8通過塑料排水軟管9排到集水容器10中暫時儲存，再擰開帶螺紋的盲蓋4用手伸入沉降筒1中取出該粗顆粒固體物；然后擰緊帶螺紋的盲蓋4，升高集水容器10，使集水容器10中的水流回沉降筒1中，關閉截止閥6；

7）測量其他編號的粗顆粒自由沉降速度時，重復步驟4）～6）即可。

實施例4

一種測量粗顆粒固體物自由沉降速度的方法，包括以下步驟：

1）所有的試驗設備架設、安裝、連接準備完畢后，打開蝶閥3、擰緊帶螺紋的盲蓋4、關閉截止閥6；

2）向沉降筒1注入清水，直至沉降筒1被灌滿為止；

3）調(diào)整高速攝像機支架12的高度，使高速攝像機11鏡頭正對沉降筒1刻度的中部位置；打開面光源13，在面光源13與沉降筒1間放置一張均光紙14，并根據(jù)高速攝像機11鏡頭畫面的清晰度調(diào)節(jié)其亮度；

4）將粗顆粒固體物從沉降筒1的筒口中心位置自由落下，用高速攝像機11對粗顆粒固體物在沉降筒1中的運動軌跡進行高速拍照，獲得粗顆粒固體物在不同時間點運動的多幀圖像；

5）對粗顆粒固體物運動軌跡以間隔相等的時間△t，以及將拍攝照片所示的粗顆粒自由沉降的距離△s繪制在s-t坐標紙上，s-t坐標紙上直線段的斜率值就是粗顆粒固體物的自由沉降速度；

6）待粗顆粒固體物落到沉降筒1底部后，關閉蝶閥3、打開截止閥6讓沉降筒1中蝶閥3以下的清水從水平側支管8通過塑料排水軟管9排到集水容器10中暫時儲存，再擰開帶螺紋的盲蓋4取出該粗顆粒固體物；然后擰緊帶螺紋的盲蓋4，升高集水容器10，使集水容器10中的水流回沉降筒1中，關閉截止閥6；

7）重復4）～6）步驟，可對此粗顆粒進行多次測量。