专利名称：多孔材料流—固—热多场耦合渗透率测量装置及其测量方法
多孔材料流一固一热多场耦合渗透率测量装置及其测量方
法所属领域本发明涉及一种多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置及测量方法。特别 是针对流场、温度场耦合下人工骨多孔支架渗透率的测量装置和测量方法。
背景技术：
多孔材料由于其相对密度小、比表面积大、热导率低及强度高等优异性能，被广泛 应用于航空航天、电子通讯、交通运输、原子能、医学等诸多方面。渗透系数(亦称渗透率) 是衡量多孔材料物理特性优劣的一个重要指标，渗透率测量仪则是测定多孔材料渗透系数 的一种仪器。目前，渗透率测量主要集中应用于煤岩、沙土、岩石领域，测量方法主要基于常 水头和变水头测量原理，依此原理发明的测量仪器测量精度低，操作繁琐，速度慢等缺点。 随着多孔支架在生物医学领域的应用和推广，评价生物多孔支架材料的渗透性能优劣也愈 发重要。但是有关生物骨支架渗透率测量仪器未有文献报道，对于血清蛋白等营养液在体 温(37°C)下相对于多孔材料支架的渗透系数评定也愈发重要，它的测量直接关系生物多 孔支架材料在骨移植术后成活的关键评价指标，因此，多孔支架材料渗透率测量仪器的发 明在生物医学组织工程领域具有重要意义。变水头法测定多孔材料渗透系数的液体渗流必须满足层流条件。该方法测定多孔 材料渗透系数的测定仪器仍需在以下三个方面进行改进(1)秒表计时，由于人为读数和操作很容易引入主观观测误差，造成测量结果的准 确性有待提高；(2)由于没有考虑温度场对渗透系数的影响，故渗流液体的动力粘度系数必然造 成测量不出不同温度下的多孔材料的渗透系数，仅能从宏观测量近似反映不同温度渗流液 体的渗透系数；(3)由于主观人为方法获取渗透系数的测量变量，因此测量变量相对多，且渗透系 数操作和计算并不简便，测量变量可以减少，操作方法和仪器本身有待改进。常水头试验方法中水头差容易测量但易波动，且该测量仪器也相对复杂，系统对 外界环境变化敏感；其次，该方法操作复杂，需要很多辅助测量装置协作完成，因此测量多 孔材料渗透率耗时，并且此方法同样未考虑温度因素对测量多孔材料渗透率的影响。发明专利91226407. 1公开了一种渗透率梯度测试仪，其主要测试岩心纵向分段 渗透率参数，此方法需要从环压输入孔加入环压来实现密封，装置过于庞大，操作不便，对 于生物骨支架渗透率测量更是不易操作。发明专利200420007652公开了一种多功能道路 材料渗透测定仪，首先他利用水箱和测试容器的压差来维持进液，这样就不能保证精确的 流量，其次利用天平测量渗流出的水的质量，如此造成误差传递，影响测量精度。发明专利 200510031317. 2公开了渗透系数测定方法及测定仪，它主要用于土样渗透性能的研究。这 些测量技术的测量范围及检测精度均有待改善。上述发明仪器均未考虑温度变化对多孔材 料渗透率的影响。实际上温度的变化直接导致多孔介质的微观结构，这样直接导致渗透率测量的准确性。对于多孔材料在温度和应力耦合条件下的低渗透率测量已引起该领域学者 关注，然而用于温度和压力耦合条件下的渗透率测量仪器未见发明。对于生物多孔支架在 温度和压力耦合条件下渗透率的测量就更未有报道。
发明内容
本发明的目的是，针对现有多孔材料渗透率测量在流-固-热多场耦合场的条件 下，未考虑温度场变化对渗透性能的影响的不足，提供一种新的多孔材料流-固-热多场耦 合渗透率测量装置及其测量方法。本发明的技术方案是一种多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置，主要包 括盖1、外筒2、保温材料3和内筒4 ；保温材料3填充在外筒2和内筒4之间；盖1、外筒2、 保温材料3和内筒4使得内筒4内部形成一空腔；内筒4内壁为一台阶型壁面，待测多孔材 料5位于该台阶上，其外壁面和内筒4内壁紧密配合，同时，多孔材料5将内筒4内部的空 腔分割为右侧的进液空腔和左侧的排液空腔；排液空腔内有一个外壁与内筒4内壁吻合的 套筒6，套筒6用来压紧多孔材料5，防止因液体压力而使被测实验材料发生移动，造成实验 误差；密封圈7放置在套筒6的左侧，其左侧由盖1顶紧；一根依次贯穿外筒2、保温材料3 和内筒4的进液软管8将进液空腔和外界连通，另一根依次贯穿套筒6、内筒4、保温材料3 和外筒2的排液软管9将排液空腔和外界连通；所述的排液软管9上装有一个微流量传感 器10 ；进液空腔或排液空腔中装有一个温度传感器11，用于测定液体的温度；温度传感器 11也可以在进液空腔和排液空腔中各装有一个。进液空腔和排液空腔分别装有进液空腔压 力传感器12和排液空腔压力传感器13，用于测定渗流液体的压力。利用上述测量装置进行多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量的方法，包括如 下步骤步骤1 关闭微流量传感器10)，通过进液软8通入液体一段时间，以保证多孔材料 达到饱和渗流状态；同时置测试次数标识i = 1 ；步骤2 通过温度传感器11得到液体温度T，并保证T恒定；打开微流量传感器10 继续通过进液软管8通入液体一段时间t”记录该时间段、内的流体累积流量Qi ；步骤3 计算当前测试周期的渗透率& "蟲式中nT为温度T下的流体粘度系数；6为待测多孔材料5的长度；A为待测多孔材料5的截面积；Pn为时间段、内进液空腔压力，由进液空腔压力传感器12读数得到；P2i为时间段、内排液空腔压力，由排液空腔压力传感器13读数得到。在计算中，各物理量仏、nT、S、\、六、？ 、&的单位分别取为m3、Pa* s、m、s、m2、 Pa、Pa，算得的渗透率Bi单位为m2 ；步骤4 :i = i+1，如果i < N，依次重复步骤2和3，计算下一个测试周期的渗透率 Bi ；否则如果i > N，进入步骤5 ；N为自然数，表示测试次数；
步骤5 求多孔材料渗透率B
权利要求
一种多孔材料流 固 热多场耦合渗透率测量装置，其特征在于主要包括盖(1)、外筒(2)、保温材料(3)和内筒(4)；保温材料(3)填充在外筒(2)和内筒(4)之间；盖(1)、外筒(2)、保温材料(3)和内筒(4)使得内筒(4)内部形成一空腔；内筒(4)内壁为一台阶型壁面，待测多孔材料(5)位于该台阶上，其外壁面和内筒(4)内壁紧密配合，同时，多孔材料(5)将内筒(4)内部的空腔分割为右侧的进液空腔和左侧的排液空腔；排液空腔内有一个外壁与内筒(4)内壁吻合的套筒(6)，套筒(6)用来压紧多孔材料(5)；密封圈(7)放置在套筒(6)的左侧，其左侧由盖(1)顶紧；一根依次贯穿外筒(2)、保温材料(3)和内筒(4)的进液软管(8)将进液空腔和外界连通，另一根依次贯穿套筒(6)、内筒(4)、保温材料(3)和外筒(2)的排液软管(9)将排液空腔和外界连通；所述的排液软管(9)上装有一个微流量传感器(10)；进液空腔或排液空腔中装有一个温度传感器(11)；进液空腔和排液空腔分别装有进液空腔压力传感器(12)和排液空腔压力传感器(13)，用于测定渗流液体的压力。
2.一种如权利要求1所述的多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置，其特征在 于所述的温度传感器(11)在进液空腔和排液空腔中各装有一个。
3.—种如权利要求1所述的多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置，其特征在 于所述的保温材料⑶为聚乙烯。
4.一种利用如权利要求1或2所述的测量装置进行多孔材料流-固-热多场耦合渗透 率测量的方法，包括如下步骤步骤1 关闭微流量传感器(10)，通过进液软管(8)通入液体一段时间，以保证多孔材 料达到饱和渗流状态；同时置测试次数标识i = 1 ；步骤2 通过温度传感器(11)得到液体温度T，并保证T恒定；打开微流量传感器(10) 继续通过进液软管(8)通入液体一段时间t”记录该时间段、内的流体累积流量Qi ； 步骤3 计算当前测试周期的渗透率Bi B =_QjVrl_ ‘、舰式中nT为温度T下的流体粘度系数； 6为待测多孔材料(5)的长度； A为待测多孔材料(5)的截面积；Pn为时间段、内进液空腔压力，由进液空腔压力传感器(12)读数得到； P2i为时间段、内排液空腔压力，由排液空腔压力传感器(13)读数得到。 在计算中，各物理量Qi、nT、6 .t^A.P^.P^的单位分别取为1113、？广8、111、8、1112、？^卩^ 算得的渗透率&单位为m2;步骤4 :i = i+1，如果i < N，依次重复步骤2和3，计算下一个测试周期的渗透率Bi ； 否则如果i > N，进入步骤5 ；N为自然数，表示测试次数；
全文摘要
本发明公开了一种多孔材料流—固—热多场耦合渗透率测量装置及测量方法，特别是针对流场、温度场耦合下人工骨多孔支架渗透率的测量装置和测量方法。该装置可以将溶液从进液软管输入，从出液软管流出，通过微流量传感器可以直接测出流体累积流量，通过进液空腔压力传感器与排液空腔压力传感器测得进液空腔和排液空腔压力之差，再结合流体粘度、多孔材料长度和截面积，提出一种计算多孔材料渗透率的方法。本发明的技术方案考虑了温度场变化对渗透性能的影响，实现了流—固—热多场耦合情况下对多孔材料的渗透性能测量。
文档编号G01N15/08GK101975734SQ20101027794
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者李山, 杨明明, 汪焰恩, 王海强, 魏生民 申请人:西北工业大学