一种微重力环境中颗粒系统自由流动全过程实验系统

1.本发明属于工程地质领域，尤其涉及一种特殊环境中的颗粒系统自由流动实验系统。


背景技术：

2.重力效应对于岩土工程领域有着极为重要的意义。滑坡等重大自然灾害的根本成因即为岩土颗粒系统在重力牵引下的大范围高速运移。月球等地外行星表面的重力水平均远低于地球表面。由于土体力学性质与其应力状态呈高度相关性，其剪切强度、承载力、剪胀特征、变形特征等均与颗粒系统内有效应力水平呈显著相关。在微重力环境中，土体自重应力缺失，颗粒系统处于超低围压状态。这种受力条件下土体会表现出怎样的运动特征尚且未知，相关研究亟待开展。
3.在前期研究中，通过落塔、抛物线飞机、微重力火箭等实验手段对微重力环境下岩土颗粒系统力学特性有了初步的研究。但由于颗粒系统大变形流动过程具有显著规模大、距离远等特征，需要对其进行较长时间的连续观测，才能较为全面的捕捉颗粒系统流动全过程的能量损耗特征，获取其流动冲击动力学特征参数。目前，仅有空间站提供的实验条件可以提供较长时间的观测条件。另一方面，对于变重力环境下颗粒系统流变特征的研究尚未开展，难以定量化讨论重力条件对系统冲击致灾规律的影响。
4.随着我国航空航天事业的蓬勃发展，针对微重力环境中颗粒系统运移规律的研究已具备实验可行性。常规重力环境下的颗粒系统实验装置不能直接用于微重力环境实验中，主要原因如下：
5.(1)在地表环境中，颗粒系统直接与外界接通，缺乏密封安全系统。在微重力环境中，如果不加约束，颗粒逸散会对空间站实验舱带来极大危害。
6.(2)在地表环境中开展的实验，其实验样品重利用率较低。在地表，实验人员操作非常便捷，因此单组实验后可以方便的重新装填样品。但在太空实验中，多次更换样品难度极高。一方面，向太空运送实验样品价格极为高昂；另一方面，反复拆装样品会显著增加颗粒逸散的风险，可能对空间站造成极大危害。
7.(3)在地表环境中，实验装置设备的尺寸限制较小。可以使用极长的流滑通道来模拟超长距离的岩土颗粒系统流滑全过程。但在微重力环境下，实验装置尺寸限制极大。需要使用尽可能小的实验装置，为岩土颗粒系统流滑提供尽可能长的通道。
8.为此，有必要针对太空微重力环境，开发专用实验装置，以收集微重力环境中颗粒系统自由流动及冲击全过程特征。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于针对现有技术存在的不足与问题，提出一种更为合理而经济的微重力环境中颗粒系统自由流动全过程实验系统。
10.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
11.一种微重力环境中颗粒系统自由流动全过程实验系统，包括：
12.结构性装置，包括底连接板、支座、承载板；
13.流滑模拟系统，包括全封闭滑面模拟盒；
14.动力及回收系统，包括旋转内板、动力轴、气泵、动力马达；
15.数据收集与数字化控制系统，包括相机、微型计算机。
16.其中：
17.结构性装置：所述支座共四个，分别安装于所述承载板的四角，用于连接、支撑底连接板，并在承载板和底连接板之间形成容置空隙；
18.流滑模拟系统：所述全封闭滑面模拟盒为圆柱状全透明密闭装置，圆柱内侧壁为颗粒系统流动滑面，所述全封闭滑面模拟盒设置于支撑底连接板上；
19.动力及回收系统：所述旋转内板位于全封闭滑面模拟盒内，旋转内板一端与所述动力轴连接，旋转内板另一端与全封闭滑面模拟盒的内侧壁接触，旋转内板上下端分别与全封闭滑面模拟盒的顶部和底部接触；所述动力轴垂直穿过全封闭滑面模拟盒底部中心，并与全封闭滑面模拟盒外的动力马达相连；所述动力马达安装在承载板上，与所述数据收集与数字化控制系统的微型计算机连接，用于驱动动力轴带着旋转内板在全封闭滑面模拟盒内旋转；所述旋转内板上设置有通气管道，通过管道与全封闭滑面模拟盒外部的气泵连接；所述气泵安装在承载板上，与所述数据收集与数字化控制系统的微型计算机连接；
20.数据收集与数字化控制系统：所述相机安装于旋转内板上，用于采集岩土颗粒系统流滑过程中的系列图像特征，通过使用现有图像处理技术获取岩土颗粒系统流动速度信息；所述微型计算机设置在承载板上，同时与气泵、动力马达、相机相连，用于控制整体系统运动及数据采集与传输。
21.具体地，所述旋转内板包含内板、旋转中轴、透明导流板、土样限位板、过滤板、内部通气管道，其中：内板首端与旋转中轴固定，内板末端与全封闭滑面模拟盒侧壁接触，在内板中部设置有土样限位板将内板分成两段即靠近旋转中轴的内板a段和靠近全封闭滑面模拟盒侧壁的内板b段；内板首端设置有总气道口通过管道与气泵连接；内板b段设置有若干分布式进气口通过内部通气管道与连接气道口连接，所述过滤板设置于分布式进气口前端用于防止气孔堵塞；旋转中轴用于与动力轴连接；透明导流板为弧型面板，连接内板首端和土样限位板末端，如此形成半封闭的空间，所述相机位于该半封闭的空间并安装于内板上。
22.进一步地，所述流滑模拟系统还包括拦挡结构，所述拦挡结构安装于全封闭滑面模拟盒的内侧壁；所述数据收集与数字化控制系统还包括应变片，所述应变片设置于拦挡结构上，与所述微型计算机相连，用于采集拦挡结构表面冲击力特征参数并传输至微型计算机，获取冲击过程中的冲击力时程曲线。
23.进一步地，所述拦挡结构为可拆卸装置，可直接拆除，也可根据实验需求自由更换其形式，如拦挡坝、拦挡桩群、缝隙坝等。
24.进一步地，通过开启气泵，利用旋转内板的分布式进气口，在全封闭滑面模拟盒内形成回收气流，进而使得土体颗粒在气流作用下逐步聚集于初始土样填装区域，以实现实验前土样装填和试验后土样回收。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
26.1、在微重力环境中实现颗粒系统高精度颗粒系统自由流动实验，准确捕捉颗粒系统流动变形过程特征参数。
27.2、装置尺寸小，进入空间站的成本较低。但环形滑面(即圆柱形全封闭滑面模拟盒的内侧壁)可以提供接近无限的滑动距离，可以实现岩土颗粒大变形流滑全过程的模拟。
28.3、装置安全性高，全密闭结构使得颗粒逸散风险较低，能较好保障空间站实验舱的安全性。
29.4、装置自带回收装置，可以在不解除密闭状态的情况下对样品进行回收，大大提升样品的复用率，有效降低实验成本。
30.5、实验系统整体结构简单，实验操控可全部实现数字化、自动化，有效减轻航空航天实验人员工作负担。
附图说明
31.图1为本发明实施例实验系统的整体三维示意图；
32.图2为本发明实施例实验系统的俯视图；
33.图3为本发明实施例实验系统内板详细结构拆解图；
34.图4为本发明实施例应变片的布设方案。
35.附图标记：
36.全封闭滑面模拟盒1，初始土样填装区域1-1，
37.旋转内板2，旋转中轴2-1，透明导流板2-2，土样限位板2-3，过滤板2-4，总气道口2-5，内部通气管道2-6，分布式进气口2-7，内板2-8，内板a段2-8a，内板b段2-8b，
38.拦挡结构3，动力轴4，气泵5，动力马达6，
39.相机7，应变片8，微型计算机9，
40.底连接板10，支座11，承载板12。
具体实施方式
41.下面将结合具体实施例及其附图对本技术提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本技术的优点和特征将更加清楚。
42.实施例
43.本技术的微重力环境中颗粒系统自由流动全过程实验系统主要包括流滑模拟系统、动力及回收系统、数据收集与数字化控制系统及结构性装置，具体结构图示意图见图1及图2，其中：
44.结构性装置，包括底连接板10、支座11、承载板12；
45.流滑模拟系统，包括全封闭滑面模拟盒1，拦挡结构3；
46.动力及回收系统，包括旋转内板2、动力轴4、气泵5、动力马达6；
47.数据收集与数字化控制系统，包括相机7、应变片8、微型计算机9。
48.具体地，四个支座11安装于承载板12上，用于支撑底连接板10，并在承载板12和底连接板10之间形成容置空隙；所述气泵5、动力马达6、微型计算机9布设于承载板12。
49.具体地，所述全封闭滑面模拟盒1为圆柱状全透明密闭装置，圆柱内侧壁为颗粒系统流动滑面；所述全封闭滑面模拟盒1设置于支撑底连接板10上，所述拦挡结构3安装于全
封闭滑面模拟盒1的内侧壁。
50.具体地，所述旋转内板2位于全封闭滑面模拟盒1内，旋转内板2一端与所述动力轴4连接，旋转内板2另一端与全封闭滑面模拟盒1的内侧壁接触，旋转内板2上下端分别与全封闭滑面模拟盒1的顶部和底部接触；所述动力轴4垂直穿过全封闭滑面模拟盒1底部中心，并与全封闭滑面模拟盒1外的动力马达6相连，所述动力马达6用于驱动动力轴4带着旋转内板2在全封闭滑面模拟盒1内旋转；旋转内板2上设置有通气管道，通过管道与全封闭滑面模拟盒1外部的气泵5连接。
51.具体地，所述相机7安装于旋转内板2上；所述应变片8设置于拦挡结构3上；所述微型计算机9与气泵5、动力马达6、相机7、应变片8相连。
52.如图3所示，所述旋转内板2包含内板2-8、旋转中轴2-1、透明导流板2-2、土样限位板2-3、过滤板2-4、内部通气管道2-6，其中：内板2-8首端与旋转中轴2-1固定，内板2-8末端与全封闭滑面模拟盒侧壁接触，在内板2-8中部设置有土样限位板2-3将内板2-8分成两段即靠近旋转中轴的内板a段2-8a和靠近全封闭滑面模拟盒侧壁的内板b段2-8b；内板2-8首端设置有总气道口2-5通过管道与气泵5连接；内板b段2-8b设置有若干分布式进气口2-7通过内部通气管道2-6与连接气道口2-5连接，所述过滤板2-4设置于分布式进气口2-7前端用于防止气孔堵塞；旋转中轴2-1用于与动力轴4连接；透明导流板2-2为弧型面板，连接内板2-8首端和土样限位板2-3末端，如此形成半封闭的空间，所述相机7位于该半封闭的空间并安装于内板2-8上。
53.上述系统可用于微重力环境中颗粒系统自由流动全过程实验。实验原理及过程如下：
54.实验准备阶段填装土体至初始土样填装区域1-1(位于内板b段2-8b)，如图2所示。此时气泵保持开启，利用持续的抽气将土体初步限制于目标区域中。填装完成后整体装置即保持严格密封以避免土体颗粒逸散。根据实验需求设定实验条件，如预设动力马达6的速率和旋转距离。在实验开始时关闭气泵。旋转内板2通过动力轴4的连接，在动力马达6的牵引下以预定速度旋转预定距离。之后旋转内板2停止运动，土体由于惯性继续运动自然释放至滑面(即全封闭滑面模拟盒内侧壁)。土体在自由流动预定距离后冲击拦挡结构3。拦挡结构3表面冲击力特征参数使用应变片系统进行采集。图4展示了一种可能的应变片8布置点位设计，箭头方向代表土体冲击方向。需要特别说明的是，拦挡结构3并不是必须安装的组件，可以整体拆除后，针对土体颗粒系统超长距离自由流滑特征进行实验研究。在实验中，通过内置的相机7采集岩土颗粒流滑过程中的运动图像。利用现有的图像识别及处理技术即可获取流滑全过程中的速度分布信息。如此，完成单组实验。
55.在单组实验结束后，在不解除装置密闭性的前提下对土样进行回收。使用方案如下：在单组实验完成后，开启气泵5，持续抽气。通过分布式进气口2-7，在滑面模拟装置内形成回收气流。土体颗粒在气流作用下，将逐步聚集于初始土样填装区域1-1。透明导流板2-2的弧面可以起导流作用，有利于土体颗粒回到初始土样填装区域1-1，可以提升土样的回收率，避免土样沉积在目标区域外。在土样全部回收后，在动力马达6的牵引下旋转内板2缓慢旋转回初始位置，之后关闭气泵5停止抽气，即可使系统回归初始状态，可以开展下一组实验。
56.上述描述仅是对本技术较佳实施例的描述，并非是对本技术范围的任何限定。任
何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本技术技术方案保护的范围。

技术特征：
1.一种微重力环境中颗粒系统自由流动全过程实验系统，其特征在于，包括：结构性装置，包括底连接板(10)、支座(11)、承载板(12)；流滑模拟系统，包括全封闭滑面模拟盒(1)；动力及回收系统，包括旋转内板(2)、动力轴(4)、气泵(5)、动力马达(6)；数据收集与数字化控制系统，包括相机(7)、微型计算机(9)；其中：所述支座(11)共四个，分别安装于所述承载板(12)的四角，用于连接、支撑底连接板(10)，并在承载板(12)和底连接板(10)之间形成容置空隙；所述全封闭滑面模拟盒(1)为圆柱状全透明密闭装置，圆柱内侧壁为颗粒系统流动滑面，所述全封闭滑面模拟盒(1)设置于支撑底连接板(10)上；所述旋转内板(2)位于全封闭滑面模拟盒(1)内，旋转内板(2)一端与所述动力轴(4)连接，旋转内板(2)另一端与全封闭滑面模拟盒(1)的内侧壁接触，旋转内板(2)上下端分别与全封闭滑面模拟盒(1)的顶部和底部接触；所述动力轴(4)垂直穿过全封闭滑面模拟盒(1)底部中心，并与全封闭滑面模拟盒(1)外的动力马达(6)相连，所述动力马达(6)安装在承载板(12)上，与所述数据收集与数字化控制系统的微型计算机(9)连接，用于驱动动力轴(4)带着旋转内板(2)在全封闭滑面模拟盒(1)内旋转；旋转内板(2)上设置有通气管道，通过管道与全封闭滑面模拟盒(1)外部的气泵(5)连接；所述气泵(5)安装在承载板(12)上，与所述数据收集与数字化控制系统的微型计算机(9)连接；所述相机(7)安装于旋转内板(2)上，用于采集岩土颗粒系统流滑过程中的系列图像特征，通过使用现有图像处理技术获取岩土颗粒系统流动速度信息；所述微型计算机(9)设置在承载板(12)上，同时与气泵(5)、动力马达(6)、相机(7)相连，用于控制整体系统运动及数据采集与传输。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转内板(2)包含内板(2-8)、旋转中轴(2-1)、透明导流板(2-2)、土样限位板(2-3)、过滤板(2-4)、内部通气管道(2-6)，其中：内板(2-8)首端与旋转中轴(2-1)固定，内板(2-8)末端与全封闭滑面模拟盒侧壁接触，在内板(2-8)中部设置有土样限位板(2-3)将内板(2-8)分成两段即靠近旋转中轴的内板a段(2-8a)和靠近全封闭滑面模拟盒侧壁的内板b段(2-8b)；内板(2-8)首端设置有总气道口(2-5)通过管道与气泵(5)连接；内板b段(2-8b)设置有若干分布式进气口(2-7)通过内部通气管道(2-6)与连接气道口(2-5)连接，所述过滤板(2-4)设置于分布式进气口(2-7)前端用于防止气孔堵塞；旋转中轴(2-1)用于与动力轴(4)连接；透明导流板(2-2)为弧型面板，连接内板(2-8)首端和土样限位板(2-3)末端，如此形成半封闭的空间，所述相机(7)位于该半封闭的空间并安装于内板(2-8)上。3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流滑模拟系统还包括拦挡结构(3)，所述拦挡结构(3)安装于全封闭滑面模拟盒(1)的内侧壁；所述数据收集与数字化控制系统还包括应变片(8)，所述应变片(8)设置于拦挡结构(3)上，与所述微型计算机(9)相连，用于采集拦挡结构(3)表面冲击力特征参数并传输至微型计算机(9)，获取冲击过程中的冲击力时程曲线。4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述拦挡结构(3)为可拆卸装置，根据实验需求直接拆除或者自由更换其形式。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，通过开启气泵，利用旋转内板的分布式进气口，在全封闭滑面模拟盒内形成回收气流，进而使得土体颗粒在气流作用下逐步聚集于初始土样填装区域，以实现实验前土样装填和试验后土样回收。

技术总结
本发明属于工程地质领域，提出了一种微重力环境中颗粒系统自由流动全过程实验系统，包括：结构性装置，包括底连接板、支座、承载板；流滑模拟系统，包括全封闭滑面模拟盒；动力及回收系统，包括旋转内板、动力轴、气泵、动力马达；数据收集与数字化控制系统，包括相机、微型计算机。与现有技术相比，本发明系统整体结构简单，具有可重复利用、全自动化、使用简便、经济成本低等优势。成本低等优势。成本低等优势。


技术研发人员：王艺谙 黄雨
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/1