一种孔隙介质中的渗流实验模具的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种孔隙介质中的渗流实验方法及模具，属于孔隙介质中的渗流 探究技术领域。
【背景技术】
[0002] 孔隙介质是指由固体颗粒组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙 构成的
[0003]介质，流体在孔隙介质中的运动称为渗流。表征地下水渗流过程中水流能量损失 变化基本规律的数学方程一渗流基本方程，渗流基本方程是任何定量描述地下水运动和溶 质迀移模型的基础，其核心是回答地下水在孔隙介质中运动时水流阻力的变化规律。
[0004]达西定律提出后的很长一段时间内，渗流线性方程都是解决地下水运动规律的唯 一方法。直到1901年，Forchheimer通过实验发现，随着流速增大，渗流速度与水力梯度之间 的关系逐渐偏离线性关系：流速越大，非线性的特征越明显，并首度提出在大雷诺数条件 下，水力梯度J和渗流速度u之间的非线性关系式如下：
[0005] J=Au+Bu2
[0006]式中A、B为与流体性质和渗透介质孔隙结构有关的常数。
[0007]由于Forchheimer是通过实验得出的经验性方程，只给出了非线性方程的基本形 式，而对于方程中的参数A、B的物理意义及其影响因素则没有讨论。为了研究渗流参数的影 响因素，许多学者在Forchheimer方程的基础上，通过室内实验和理论分析的方法对渗流参 数进行讨论，并提出一系列非线性方程，中比较代表性的有：
[0008]1949年，Ergun和Orning根据Kozeny-Carman公式作为渗透率的计算公式，推导了 如下方程：
[00?0]式中MS是单位体积固体的比面积，η位孔隙度。当介质颗粒为球形时，d=6/MS，d为 球粒的直径。于是上式可以改写成如下形式：
[0012]式中α和β是形状系数为常数，与孔隙的大小和形态有关。我们可以看到，渗流参数Α、Β与颗粒的粒径、孔隙度以及液体的粘滞系数有关，方程中仍然包含有α和β等需要通过实 验测定的参数。
[0013] 1952年，Ergun在上式的基础上，通过开展不同气体在压实的砂床模型中的渗流阻 力实验，提出非线性渗流的确定性方程如下：
[0015]Ergun公式明确的给出了参数A、B与颗粒粒径、孔隙度以及液体运动粘滞系数之间 的定量关系，但Ergun公式的应用仍具有一定的限制，当流速很大时，公式的计算值偏大，且 随着速度增大，误差越来越大。
[0016] 1964年，Irmay在上式的基础上，根据Kozeny-Carman公式作为渗透率的计算公式， 对Ergun公式进行修正，提出更适合于松散介质的非线性方程：
[0018]由于Irmay方程中的非线性项的常数也比Ergun公式小，因此其Irmay方程在高流 速区的计算值往往较实际值较小，误差较大。
[0019]综上所述，渗流参数A、B与颗粒的粒径、孔隙度以及液体的运动粘滞系数有关，前 人总结的渗流方程中仍然包含有α和β等需要通过实验测定的参数。目前的孔隙介质中的渗 流实验方法能够拟合出渗流参数Α、Β，但在野外大尺度条件下不能够准确定义粒径(d)、分 选及排列方式，无法准确定义孔隙度(η)的大小，因此不能够准确地得到作为研究非达西流 规律的重要非达西流参数α和β，不利于定量化的研究孔隙介质中的渗流状态。
【发明内容】
[0020] 为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种孔隙介质中的渗流实验模具， 使得管壁所引起的附加阻力对实验影恫小到可以忽略，就得到能够反映立方体排列孔隙介 质模型渗流阻力特征的典型单元体模型，能够消除管壁阻力对实验结果的影响。
[0021] 本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是:提供了一种孔隙介质中的渗 流实验模具，包括两端开口的长方体管，所述长方体管的进水口端用设有进水口的盖板封 闭，长方体管的出水口端用设有出水口的盖板封闭;所述长方体管内填充满由ΝXΝXΝ个直 径为d的等粒径的亚克力球粒粘接而成的立方体单元，长方体管的横截面为边长为dXN的 正方形，边长的上限为90mm，长方体管的长度为N的整数倍，球粒与长方体管内管壁连接处 固定;长方体管的上方设有2个分别用于测试进水口端压力和出水口端压力的压力探测孔， 所述N不小于6,用于测试进水口端压力的压力探测孔距离进水口端的距离，以及用于测试 出水口端压力的压力探测孔距离出水口端距离均为L，L的范围为N的20~30倍。
[0022] 所述长方体管由2节以上管段首尾相接组成，相邻管段之间通过法轮盘连接。
[0023]球粒之间通过氯仿粘接。
[0024]本实用新型基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0025] (1)本实用新型根据研究得到一个结论，即管壁阻力对实验的影响只与横截面填 充球粒的个数有关，与球粒的粒径无关;随着横截面填充球粒个数增多，球粒表面积逐渐增 加，管壁面积所占总表面积的比重越来越小，管壁产生的附加阻力对实验的影响也会越来 越小;N的数目越大小球跟小球之间的孔的数量才会越来越多，小球和边壁的孔占得比例就 会越来越少，这样实验结果越精确；当横截面上球粒个数NXN增加到一定数量时，相邻两组 模型的渗流规律基本相同、渗流曲线墓本重合;此时管壁所引起的附加阻力对实验影响小 到可以忽略，就得到能够反映立方体排列孔隙介质模型渗流阻力特征的典型单元体模型； 基于此，本实用新型提供的一种孔隙介质中的渗流实验方法及模具，使得管壁所引起的附 加阻力对实验影响小到可以忽略，就得到能够反映立方体排列孔隙介质模型渗流阻力特征 的典型单元体模型，能够消除管壁阻力对实验结果的影响；
[0026] (2)本实用新型的管壁选择有机玻璃，材料透明，便于观察实验现象，同时具有足 够的强度，能够承受实验过程中较高的水压；
[0027] (3)本实用新型选择高精度亚克力球作为填充球粒(直径精度为0.01mm)，所有的 球粒为大小相同的标准球粒，能够满足按照立方体排列的方式填充至有机玻璃管内，球粒 利用氯仿相互粘结和固定在管壁内，球粒与球粒之间以及球粒与管壁之间接触点必须能够 粘结起来且具有一定的强度，保证了实验过程中球粒不会被水流冲击而产生松动和移位。
【附图说明】
[0028]图1是本实用新型的实验模具结构示意图。
[0029]图2是实施例的正方形模具示意图。
[0030]图3是正方形模具示意图，其中图3(1)为2X2的正方形模具，图3(2)为3X3的正方 形模具，图3(3)为4X4的正方形模具，图3(4)为5X5的正方形模具。
[0031 ]图中：1-进水口，2-长方形板材，3-法兰盘，4-螺丝孔，5-压力探测孔，6-球粒，7-出 水口。
【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
[0033] 本实用新型同时提供了一种基于上述方法的实验模具，参照图1，包括两端开口的 长方体管，所述长方体管的进水口端用设有进水口的盖板封闭，长方体管的出水口端用设 有出水口的盖板封闭;所述长方体管内填充满由NXNXN个直径为d的等粒径的亚克力球粒 粘接而成的立方体单元，长方体管的横截面为边长为dXN的正方形，边长的上限为90mm，长 方体管的长度为N的整数倍，球粒与长方体管内管壁连接处固定;长方体管的上方设有2个 分别用于测试进水口端压力和出水口端压力的压力探测孔，所述N不小于6,用于测试进水 口端压力的压力探测孔距离进水口端的距离，以及用于测试出水口端压力的压力探测孔距 离出水口端距离均为L，L的范围为N的20~30倍。所述长方体管由2节以上管段首尾相接组 成，相邻管段之间通过法轮盘连接。球粒之间通过氯仿粘接。
[0034]利用本实用新型的孔隙介质中的渗流实验模具，能够完成孔隙介质中的渗流实验 方法，包括以下步骤：
[0035] (1)搭建实验模具：用1组以上由NXNXN个直径为d的等粒径的球粒6粘接而成的 立方体单元填充满一个长方体管，所述长方体管的横截面为边长为dXN的正方形，球粒与 长方体管内