本實(shí)用新型涉及一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置，屬于機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)所帶來的影響無處不在，其造成的后果已經(jīng)成為世界重大環(huán)境問題之一。由于世界范圍內(nèi)植被的大量砍伐、沙漠地區(qū)風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的蔓延，土地荒漠化，沙漠化越來越嚴(yán)重。到1998年已經(jīng)有大約9億人，100個(gè)國家遭受沙漠化的影響。更可怕的是，預(yù)計(jì)到2025年，這些數(shù)字還會(huì)翻倍。目前,全世界的沙漠總面積己達(dá)700萬平方千米，約地球陸地面積的25％都存在一定程度的荒漠化現(xiàn)象。每年，世界上就會(huì)有4150萬公頃的土地失去生產(chǎn)能力。中國更是沙漠化的重災(zāi)區(qū)，沙漠、戈壁和沙漠化土地面積已經(jīng)占到國土面積的27.64％左右，不僅如此，僅在20世紀(jì)90年代，我國沙漠化土地的面積約以每年2460平方千米的速度擴(kuò)展。西部地區(qū)由于干旱氣候的影響，加之植被的砍伐，有些地區(qū)如今已是極目望不盡頭的悲涼情景。然而，如果只是荒漠化，沙漠化，其影響終究有限，但伴隨荒漠化，沙漠化，還有許多更嚴(yán)重的危害。在中國西部及中部地區(qū)，大規(guī)模的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)不斷的破壞人類的房屋，道路，鐵路的各種設(shè)施，甚至于災(zāi)害發(fā)生時(shí)，不少人員因此喪生。即便是靠近沿海地區(qū)，同樣遭受著大規(guī)模風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)的摧殘。我們已經(jīng)不止一次的看到北京首都某天風(fēng)沙的情景，我們已經(jīng)不止一次的看到風(fēng)沙如魔鬼般一路從西部地區(qū)席卷至祖國的東邊?，F(xiàn)如今，漂浮在空氣中的沙塵已經(jīng)越來越威脅著我們的健康，我們可以看到，呼吸道疾病的發(fā)病率已經(jīng)開始上升。防治沙漠化，荒漠化，乃至于防治大規(guī)模風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)、沙塵暴已經(jīng)刻不容緩。

風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)主要通過躍移方式進(jìn)行，由于風(fēng)速增加，帶起一些地表沙粒，這些沙粒在空中經(jīng)由風(fēng)加速后，撞擊地表沙粒濺起更多沙粒。隨著被濺起的沙粒越來越多，規(guī)模越來越大，最終形成大規(guī)模的風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程中，沙粒撞擊地表反彈并濺起其他地表沙粒的過程是關(guān)鍵的一步，在風(fēng)沙物理學(xué)中，稱為粒-床碰撞過程。粒-床碰撞過程是沙粒躍移運(yùn)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵問題，學(xué)者們?nèi)绱嗽u(píng)價(jià)：粒一床碰撞分析及其力學(xué)建模是風(fēng)沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究工作的核心，是揭示沙粒微觀運(yùn)動(dòng)與宏觀風(fēng)沙流運(yùn)動(dòng)之間聯(lián)系的最關(guān)鍵步驟和唯一最有效的途徑。

由于沙粒粒徑細(xì)小(0.05-0.5mm)，不規(guī)則等特性，目前世界上粒-床碰撞的實(shí)驗(yàn)研究還沒有能夠發(fā)射風(fēng)沙流尺度下沙粒的裝置或儀器。大多數(shù)此類實(shí)驗(yàn)都采用了粒徑更大，更規(guī)則的替代材料如玻璃珠，PVC材料等。然而，替代材料在材質(zhì)、粒徑、形狀上都與自然沙粒相去甚遠(yuǎn)，其結(jié)果根本無法適用自然沙粒。由于缺少能夠發(fā)射風(fēng)沙流尺度下沙粒的裝置或儀器，實(shí)驗(yàn)直接測(cè)量自然粒-床碰撞過程以及沙粒起躍特性、分布函數(shù)的工作已經(jīng)停滯多年。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置，能解決上述難題，可發(fā)射速度與角度可控的沙粒，其結(jié)合高速攝影等儀器即可研究粒床碰撞過程。

為解決以上技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置，包括可拆卸外殼、可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈、“z”形進(jìn)沙管、六翼螺旋槳、傳動(dòng)軸承，所述可拆卸外殼為扁圓筒形，可拆卸外殼的內(nèi)壁設(shè)有環(huán)形滑道，可拆卸外殼的環(huán)形滑道處連接可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈，所述“z”形進(jìn)沙管固定于所述可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈，所述可拆卸外殼上開有條形卡槽和射沙口，“z”形進(jìn)沙管的一端從所述條形卡槽伸出，撥動(dòng)“z”形進(jìn)沙管，實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈的轉(zhuǎn)動(dòng)和“z”形進(jìn)沙管在條形卡槽內(nèi)有限范圍內(nèi)的活動(dòng)；六翼螺旋槳連接于傳動(dòng)軸承內(nèi)圈，所述傳動(dòng)軸承的外圈連接于可拆卸外殼內(nèi)壁的中部，所述六翼螺旋槳的傳動(dòng)軸連接電機(jī)；所述傳動(dòng)軸承把螺旋槳與可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈串聯(lián)在一起；“z”形進(jìn)沙管的另一端伸至六翼螺旋槳的旋轉(zhuǎn)圈邊緣外；將可拆卸外殼的兩端連接蓋后形成封閉的空間。

進(jìn)一步地，所述可拆卸外殼由兩個(gè)半圓殼組成，兩個(gè)半圓殼的一端鉸接連接，另一端采用卡扣活動(dòng)連接方法連接。

進(jìn)一步地，所述自然沙粒發(fā)射裝置包括有底座，底座的上表面為弧形，恰好適合于可拆卸外殼的外圓面。

進(jìn)一步地，所述射沙口的形狀為沿著可拆卸外殼的長條形，從可拆卸外殼的中部沿至中下部。

進(jìn)一步地，所述底座為材質(zhì)為金屬，底座頂部兩側(cè)設(shè)有固定裝置，利用螺栓將自然沙粒發(fā)射裝置固定。

進(jìn)一步地，所述“z”形進(jìn)沙管的射沙端口朝向與六翼螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反。

進(jìn)一步地，在條形卡槽的槽口兩側(cè)設(shè)有調(diào)節(jié)刻度。

本實(shí)用新型涉及的這種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置，可發(fā)射速度與角度可控的沙粒，其結(jié)合高速攝影等儀器即可研究粒床碰撞過程。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置正視圖；

圖3為本實(shí)用新型一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置可拆卸外殼結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本實(shí)用新型一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置可拆卸外殼結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本實(shí)用新型一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置“z”形進(jìn)沙管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本實(shí)用新型一種可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置六翼螺旋槳結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中標(biāo)記如下：1、可拆卸外殼；2、可轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵圈；3、“z”形進(jìn)沙管；4、六翼螺旋槳；5、傳動(dòng)軸承；6、底座；7、條形卡槽；8、卡扣；9、合頁；10、環(huán)形滑道。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，可控速度角度的自然沙粒發(fā)射裝置包括可拆卸外殼1、可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈2、“z”形進(jìn)沙管3、六翼螺旋槳4、傳動(dòng)軸承5，所述可拆卸外殼1為扁圓筒形，可拆卸外殼1的內(nèi)壁設(shè)有10環(huán)形滑道，可拆卸外殼的環(huán)形滑道處連接可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈，所述“z”形進(jìn)沙管3固定于所述可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈，所述可拆卸外殼上開有條形卡槽7和射沙口，“z”形進(jìn)沙管3的一端從所述條形卡槽伸出，撥動(dòng)“z”形進(jìn)沙管3，實(shí)現(xiàn)可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈2的轉(zhuǎn)動(dòng)和“z”形進(jìn)沙管3在條形卡槽內(nèi)有限范圍內(nèi)的活動(dòng)；六翼螺旋槳連接于傳動(dòng)軸承內(nèi)圈，所述傳動(dòng)軸承的外圈連接于可拆卸外殼內(nèi)壁的中部，所述六翼螺旋槳的傳動(dòng)軸連接電機(jī)；所述傳動(dòng)軸承把螺旋槳與可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈串聯(lián)在一起；“z”形進(jìn)沙管3的另一端伸至六翼螺旋槳4的旋轉(zhuǎn)圈邊緣外。

可拆卸外殼由兩個(gè)半圓殼組成，兩個(gè)半圓殼的一端鉸接連接，如圖3所示，采用合頁9連接，另一端采用卡扣8活動(dòng)連接方法連接。

自然沙粒發(fā)射裝置包括有底座6，底座的上表面為弧形，恰好適合于可拆卸 外殼的外圓面。

射沙口的形狀為沿著可拆卸外殼的長條形，從可拆卸外殼的中部沿至中下部。

底座6為材質(zhì)為金屬，底座頂部兩側(cè)設(shè)有固定裝置，利用螺栓將自然沙粒發(fā)射裝置固定。

“z”形進(jìn)沙管3的射沙端口朝向與六翼螺旋槳4的旋轉(zhuǎn)方向相反。

在條形卡槽的槽口兩側(cè)設(shè)有調(diào)節(jié)刻度。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：通過傳動(dòng)軸承把螺旋槳與可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈串聯(lián)在一起；可轉(zhuǎn)動(dòng)鐵圈連同螺旋槳和“z”形進(jìn)沙管放入可拆卸外殼的滑道內(nèi)，調(diào)節(jié)到實(shí)驗(yàn)所需的角度上：

(1)開啟電機(jī)，螺旋槳轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后在“z”形進(jìn)沙口放入適量沙粒；

(2)沙粒下落會(huì)被螺旋槳擊中，擊中后沙粒速度增大，并有一部分沙粒從射沙口飛出，最后沖擊在床面上；

(3)調(diào)節(jié)可轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵圈的角度，可以改變沙粒從射沙口飛出后的角度，也就是沖擊的入射角度；

(4)通過控制終端來調(diào)整通過電機(jī)的電流強(qiáng)度來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終起到改變沙粒的入射速度；

(5)結(jié)合高速攝影等手段可以清楚的觀測(cè)沙粒對(duì)床面撞擊的全過程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

借助于本儀器的幫助，進(jìn)行了1024次粒-床碰撞試驗(yàn)，自然沙粒在粒-床碰撞中的行為與替代顆粒相去甚遠(yuǎn)。結(jié)果包括：

(1)與Djaoued Beladjine(07)采用6mm的PVC材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，自然沙粒在粒-床碰撞后的反彈角度與沖擊速度有著密切關(guān)系隨著沖擊速度的增加線性減小(其實(shí)驗(yàn)表明兩者無關(guān))。

(2)與Djaoued Beladjine(07)結(jié)果不同，反彈速度與沖擊速度的比值與沖擊速度有關(guān)，隨著沖擊速度的增大線性增大(其使用表明兩者無關(guān))。而Francois(2000)的塑料圓盤(玻璃球)實(shí)驗(yàn)以及Mark Gordon(2011)的玻璃球-沙床碰撞結(jié)果甚至相反。

(3)顆粒濺射角度與沖擊速度有關(guān)，隨著沖擊速度的增大而增大。

(4)濺起顆粒數(shù)與沖擊角度有關(guān)，隨著沖擊角度的增加而減小。

(5)當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了前人實(shí)驗(yàn)中的許多結(jié)論，如：反彈角度隨著沖擊角度的增大而增大；反彈速度與沖擊速度的比值隨著沖擊角度的增大而減??；濺射角度隨著沖擊角度的增大而增大；濺起顆粒數(shù)隨著沖擊速度的增大而增大。

(6)我們同時(shí)對(duì)1024組數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，計(jì)算平均值，給出了各個(gè)微觀物理量隨沖擊速度、沖擊角度的函數(shù)關(guān)系。同時(shí)給出了各個(gè)微觀物理的分布函數(shù)形式，如：反彈角度服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布；反彈速度與沖擊速度的比值服從正態(tài)分布等。

綜上所述，自然沙粒在粒-床碰撞中的表現(xiàn)更為復(fù)雜，各個(gè)微觀物理量往往與入射顆粒的各個(gè)參量都有關(guān)系，作用過程存在相互影響，相互耦合。并非規(guī)則、大粒徑替代材料表現(xiàn)出的，只與其中某個(gè)參量有關(guān)。有些定性關(guān)系甚至完全不一致。這對(duì)于幫助理解顆粒與床面的相互作用形式意義巨大。

本裝置可發(fā)射顆粒的粒徑并無限制，并非只能發(fā)射自然沙粒。

本實(shí)用新型所述的具體實(shí)施方式并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)范圍的限制，凡是在本實(shí)用新型構(gòu)思的精神和原則之內(nèi)，本領(lǐng)域的專業(yè)人員能夠作出的任何修改、等同替換和改進(jìn)等均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。