管壁连接处固定;将长方体管的进水口端用设有进水口 1的盖板密封，将长方体 管的出水口端用设有出水口 7的盖板密封；
[0036] 具体包括以下过程：
[0037] 1、首先将球粒填充于边长为6cm的图2所示的正方形模具中，用氯仿将球粒粘结成 一个个正方形的单元，待氯仿风干后，将6个正方形单元粘接成一个立方体单元;本实施例 使用6X6的正方形模具，还可以使用2\2、3\3、4\4、5父5等，如图3所示；
[0038] 2、将透明有机玻璃板加工成宽6cm、长100cm的长方形板材2,然后将四块长方形板 拼结成长方体管段，并将立方体单元放置管中用于管壁定位；
[0039] 3、将立方体单元填入长方体管，并用氯仿分别将各个立方体单元之间以及立方体 单元;与长方体管两端的有机玻璃管壁之间粘结起来，以免在水流作用下立方体排列模型 结构发生破坏；
[0040] 4、制作带有螺丝孔4的法兰盘3将三根长方体实验管首尾相连，组成长300mm的等 径球粒立方体排列孔隙介质模型。考虑到实验管两端的"入口效应"和"出口效应"，进出口 段的压力探测孔5分别设置在距离进口端1和出口端7约25cm的位置，以保证测量的水压能 反映孔隙介质的水头损失规律。
[0041] (2)打开进水阀门，用离心栗缓慢地将水充满长方体管，充分排出长方体管中的气 体；
[0042] (3)使长方体管的进水口端和出水口端的压力差维持在ΔΡο以内，记录长方体管 两端的压力和流量作为一组数据；
[0043] (4)使长方体管的进水口端和出水口端的压力差增加△Pi，记录长方体管两端的 压力和流量作为一组数据；
[0044] (5)重复步骤(4)直到进水口端的水压达到离心栗能提供的最大水压，进入步骤 (6)；
[0045] (6)利用各组数据，通过Forchheimer定律得到水力梯度J和渗流速度u之间的非线 性关系，做出u-J曲线，通过二次曲线拟合，得到孔隙介质渗流参数A和B，通过对比参数得到 非达西流参数α和β，完成孔隙介质中的渗流实验。
[0046]ΔPQ和ΔΡ:均为与球粒直径相关的设置值。
[0047]步骤(2)之前可以进行装置的检测：主要检查仪器是否漏水，压力传感器的接头内 是否有气泡以及数据采集程序的运行情况。首先关闭出水阀门，观测渗透介质两端的压力 传感器的读数是否相同，如果相同说明仪器正常，否则说明仪器存在漏水或憋气的情况。 [0048]本实用新型的原理如下：
[0049]由于用于实验研究的立方体排列孔隙介质模型的管壁对水流的阻力作用属于附 加阻力，而非孔隙介质本身对水流的阻力。若管壁对水流所产生的额外阻力很大，那么将影 响到实验结果的真实性，从而难以反映立方体排列孔隙介质中的水流阻力特征和运动规 律;若管壁对水流所产生的附加阻力很小，与孔隙介质本身所产生的阻力相比可以忽略不 计，那么模型则可用于立方体排列孔隙介质中的渗流规律研究。因此，在开展立方体排列孔 隙介质模型渗流实验之前，必须先开展管壁阻力对实验影响的研究，消除管壁阻力对实验 结果的影响。
[0050] 孔隙介质中水流阻力的大小与介质表面积大小有关。固体颗粒的表面积越大，产 生的水流阻力也相应增大，因此可以通过增加横断面球粒的方式来增大立方体排列孔隙介 质模型的介质表面积和水流阻力，从而降低管壁阻力占总水流阻力的比重，达到减小管壁 对实验结果影响的目的。当横断面所填充的球粒数增大至一定值时，管壁对实验的影响可 以忽略不计，此时的模型称为等径球粒立方体排列孔隙介质模型的典型单元体模型。
[0051]为了消除等径球粒立方体排列孔隙介质模型管壁产生的水流阻力对实验结果的 影响，更加准确的测定孔隙介质渗流基本方程的参数，首先要寻找能够反映立方体排列孔 隙介质模型中的水流规律的典型单元体模型。假设球粒直径为d，横截面填充的球粒个数为 NXN，渗流长度为NXd的渗流管段为研究对象。那么，模型管壁的表面积^为:40乂(1)2,渗 流管段内所有球粒的表面积之和知为:3id2N3，则管壁的表面积与球粒表面积之比Μ为：
[0053] 由上式可知，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。
[0054]因此，在模具制作时，主要考虑以下几个方面：
[0055] (1)管壁材料选择：
[0056]等径球粒立方体排列模型的管壁材料的选择有要两点要求:1、为了便于观察实验 现象，材料选择透明的；2、考虑到实验过程中管壁会承受较高的水压，材料要具有足够的强 度。
[0057]因此，可以选择厚度为10mm的有机玻璃板作为模型管壁的制作材料。
[0058] (2)填充球粒的选择：
[0059]等径球粒立方体排列模型孔隙介质模型是一种非常规则的理想模型，模型能否真 实反映水流运动规律，模型的制作精度是关键。在选择球粒的材料时主要考虑以下两点：1、 必须保证所有的球粒为大小相同的标准球粒;2、考虑到球粒要按照立方体排列的方式填充 至有机玻璃管内，同时要保证实验过程中球粒不会被水流冲击而产生松动和移位，因此球 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，因此本实 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)。
[0060] (3)填充球粒的方式
[0061] 由于通过实验所获得的α和β参数与介质的尺寸粒径及排列方式有关，提供了特殊 排列方式情况下确定α和β参数方法(立方体排列及四面体排列）。立方体排列情况下孔隙度 η最大，四面体排列方式下孔隙度η最小，通过不同单一粒径及不同排列方式组合条件下的 渗流阻力实验，能够控制d、n不变即可以得出较为准确的α和β参数值。
【主权项】
1. 一种孔隙介质中的渗流实验模具，其特征在于: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。2. 根据权利要求1所述的孔隙介质中的渗流实验模具，其特征在于: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。3. 根据权利要求1所述的孔隙介质中的渗流实验模具，其特征在于:球粒之间通过氯仿 粘接。
【专利摘要】本实用新型一种孔隙介质中的渗流实验方法及模具，利用填充满由N×N×N个等粒径的球粒粘接而成的立方体单元的长方体管进行求解孔隙介质渗流基本方程参数。本发明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。
【IPC分类】G01N15/08
【公开号】CN205091233
【申请号】CN201520914308
【发明人】万军伟, 李仲夏, 黄琨, 何林青, 梅伟标, 沈仲智
【申请人】中国地质大学（武汉）
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月17日