一种研究多孔介质全区域渗流机制的渗透装置的制作方法

本实用新型属于建设工程技术领域，涉及一种研究多孔介质材料全区域渗流机制的渗透装置。

背景技术：

多孔介质是指一种内部含有许多微小连通孔隙的固体聚合体，多孔介质渗流即是研究液体在这种固体介质中流动规律的问题。多孔介质渗流理论在许多方面都有应用，例如土木工程、石油工程、航空航天工程、农业工程和化学工程等。多孔介质材料广泛存在于自然界，具有特殊的结构特征，固相物质构成多孔介质的骨架，骨架比表面积较大，孔隙结构相对狭窄，通常由气相或者液相物质占据，流体在多孔介质内的流动机制会随着流体流速的变化而改变，多孔介质渗流区域目前一般划分为前达西区、达西区、过渡区、Forchheimer区、过渡区和湍流区等。

室内试验是研究多孔介质渗流机制的有效方法，例如，岩土工程中传统的达西渗流试验装置主要有常水头渗透仪(如TST-70型)和变水头渗透仪(南-55型)，其他一些达西渗流试验仪器也是基于这两种仪器改进而成，通过改变渗流速度形成不同水力梯度的方法来研究多孔介质的渗透规律。由于这种类型的渗透仪能够形成的水流速度不大，所以只局限于研究多孔介质材料的达西渗流区域特征，而多孔介质渗流问题不仅涉及到达西渗流，还包括非达西区域渗流机制，因此需要研制可以研究多孔介质全区域渗流机制的新型渗透装置。

技术实现要素：

本实用新型针对以往渗流试验装置无法研究非达西渗流区域的不足，在现有达西渗流装置的基础上进行改进，实现水流速度从小到大逐渐变化，并利用差压变送器自动采集水压差值，从而能够使多孔介质的渗流状态从达西区域延伸到非达西区域。

本实用新型的技术方案：

一种研究多孔介质全区域渗流机制的渗透装置，该渗透装置包括供水箱1、潜水泵2、水管、三通、针型阀门、试验装置、止水夹6、排气器7、差压变送器8、计算机9和量筒10；

潜水泵2连接水管并放置于供水箱1中，水管的连接三通，三通一头通过水管连接试验装置，并在水管上设置第一针型阀门3-1，三通另外一头连接水管并将水管出水口置于水箱1中，水管上设置第二针型阀门3-2；试验装置出水口通过水管回流至水箱1中，各连接处做好防漏水措施；

试验装置包括入水口盖板11、入水缓冲段12、透水孔板13、装样段14、出水缓冲段15和出水口盖板16，各部件通过法兰进行连接；试验装置的主体为有机玻璃材质的圆筒状结构，其两端分别为水口盖板11和出水口盖板16；通过两块透水孔板13将试验装置内部分为入水缓冲段12、中间的装样段14和出水缓冲段15；入水缓冲段12和出水缓冲段15上分别设置排气孔4，排气孔4通过排气管与排气器7相连，并在排气管上设置止水夹6；装样段14两端分别设置测压孔5，测压孔5靠近装样段14的内壁处设置过滤网，测压孔5通过导压管与差压变送器8相连；差压变送器8通过数据线与计算机9相连。

所述的入水缓冲段12和/或出水缓冲段15内加砾石。

所述的滤网为200目。

本实用新型的有益效果：本渗透装置可实现多孔介质中流体从低速达西区延伸至高速湍流区，可用于研究多孔介质材料的渗流机制以及各渗流区域的划分；采用循环水系统可以节约水资源；可根据多孔介质颗粒大小自行设计试验段尺寸；采用差压变送器和计算机组成的数据采集系统，可以保证较高的测量精度和较宽的测量范围。试验装置占地面积小，试验过程安全方便，试验结果可靠。

附图说明

图1是本实用新型的系统布局图。

图2是本实用新型的试验装置剖面图。

图3(a)是本实用新型试验装置中的盖板主视图。

图3(b)是本实用新型试验装置中的盖板左视图。

图4(a)是本实用新型试验装置中的缓冲段主视图。

图4(b)是本实用新型试验装置中的缓冲段仰视图。

图4(c)是本实用新型试验装置中的缓冲段俯视图。

图5(a)是本实用新型试验装置中的装样段主视图。

图5(b)是本实用新型试验装置中的装样段左视图。

图5(c)是本实用新型试验装置中的装样段右视图。

图6是本实用新型试验装置中的透水孔板示意图。

图7是本实用新型Forchheimer渗流区域划分。

图中：1供水箱；2潜水泵；3-1第一针型阀门；3-2第二针型阀门；4排气孔；5测压孔；6止水夹；7排气器；8差压变送器；9计算机；10量筒；11入水口盖板；12入水缓冲段；13透水孔板；14装样段；15出水缓冲段；16出水口盖板。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。

实施例

一、检验和校核

将无气蒸馏水注入水箱1中并没过潜水泵2，保持第一针型阀门3-1全关，第二针型阀门3-2全开，接通潜水泵2电源检查其是否正常工作，检查完毕后关闭潜水泵2电源。依次连接试验装置中的入水口盖板11、入水缓冲段12、透水孔板13、装样段14、出水缓冲段15和出水口盖板16，各部分连接处加止水橡胶圈，并用扳手依次对角旋紧螺丝，保证排气孔4和测压孔5位于一条直线上，最后将试验装置与水管相连。接通潜水泵2电源，缓慢开启第一针型阀门3-1让水流过试验装置，用排气器7排除试验装置内的空气，检查及校核差压变送器8和计算机9是否能够正常采集和记录压差数据。检查完毕后切断潜水泵2和差压变送器8电源，并拆卸试验装置。

二、试验准备

连接入水口盖板11和入水缓冲段12，在入水缓冲段12内填充玻璃圆珠；连接装样段14，将烘干的试验材料混合均匀并称其质量m₁，在装样段14内按照每层2～3cm高度均匀装填，称量剩下的试验材料质量m₂，通过下式即可计算多孔介质的孔隙率，

式中，d为装样段14的内径，L为装样段14的长度，ρ_ω为水密度，d_s为多孔介质材料的比重；连接出水缓冲段15和出水口盖板16，并在出水缓冲段内同样填充玻璃圆珠。接通潜水泵2电源，缓慢开启第一针型阀门3-1，慢慢饱和试样，打开止水夹6并用排气器7排除试验装置内部残留的空气。

三、试验测量及数据处理

调节第一针型阀门3-1至很小开度，待流过多孔介质的水流速度稳定后，用计算机9记录此时多孔介质两端的压差值ΔP；用量筒10和秒表测记一定时间t内出水口处的水流量值V，采用下式即可得到流过多孔介质的渗流速度u，

式中，A为装样段断面面积，以上单位均采用国际单位。

配合调节第一针型阀门3-1和第二针型阀门3-2的开度，使水流速度逐渐增大，重复上述试验过程，得到一系列水流速度下对应的水压差值，即可绘制渗流关系曲线。

一般采用Forchheimer方程对多孔介质的渗流区域进行划分，

式中，μ为液体粘度，K为渗透率，F为Forchheimer常数，ρ为液体密度。

Forchheimer方程是在达西渗流方程(k＝v/i)的基础上增加了水流速度的二次项u²，认为随着水流速度的增加，流体的惯性项(即u²)代替粘性项(即u)慢慢起主导作用，对Forchheimer方程稍作修改可得到下式，

采用式(4)绘制渗流关系曲线，如下图所示，

当流速较小时，渗流曲线呈现水平段，表示此时多孔介质处于达西渗流区域；随着流速慢慢增大，渗流曲线经过一段过渡区域后，ΔP/Lu和流速u大致呈线性关系，此时可以认为渗流状态处于Forchheimer流区；再经过一段过渡区后，可认为渗流状态进入了湍流区。采用此装置还可研究不同孔隙率、不同级配曲线、不同多孔介质材料等情况下多孔介质的渗流机制。