一種檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置及方法
【專利摘要】一種檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置及方法，包括儲水裝置，儲水裝置與水加熱裝置）通過水泵連通，在水加熱裝置下部設(shè)置有加熱管，水加熱裝置與土壤容器之間設(shè)置有帶有第一密封圈的第一導(dǎo)熱隔離板，土壤容器與排水箱之間設(shè)置有帶有附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)的第二導(dǎo)熱隔離板，在土壤容器中分布有多個溫度傳感器。通過本裝置可以進(jìn)行滲流在水壓力和媒介溫度發(fā)生變化時的關(guān)系的實驗。實驗共分三個階段進(jìn)行，分別進(jìn)行非飽和土壤的熱傳導(dǎo)實驗、飽和土壤的滲流實驗及飽和土壤的溫度傳導(dǎo)實驗。
【專利說明】
一種檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種流體力學(xué)、熱力學(xué)中的滲流力學(xué)與溫度變化相互關(guān)系等相關(guān)領(lǐng) 域，具體涉一種及檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 土壤溫度的變化、水壓與滲流之間的關(guān)系，由法國水力學(xué)家H. -p. -G.達(dá)西在18 5 2 ~1855年通過大量實驗得出。其表達(dá)式為：
[0004] 此定律只描述了滲流速度與水力坡降之間的關(guān)系。滲透系數(shù)是土壤材料的固有屬 性，其測定多通過實驗來完成，滲透系數(shù)Κ是綜合反映土體滲透能力的一個指標(biāo)，其數(shù)值的 正確確定對滲透計算有著非常重要的意義。影響滲透系數(shù)大小的因素很多，主要取決于土 體顆粒的形狀、大小、不均勻系數(shù)和水的粘滯性等，要建立計算滲透系數(shù)k的精確理論公式 比較困難，通?？赏ㄟ^試驗方法，包括實驗室測定法和現(xiàn)場測定法或經(jīng)驗估算法來確定k 值，但這些方法均有一定的局限性，且無專用的設(shè)備來進(jìn)行檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種專用設(shè)備，通過本設(shè)備，可檢測壓 力、溫度的變化對滲透系數(shù)的影響，本發(fā)明還提供了利用這種設(shè)備檢測溫度的變化對滲透 系數(shù)的影響的方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0007] -種檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，實驗裝置包括儲水裝置，儲水裝置與 水加熱裝置連通，在水加熱裝置下部設(shè)置有加熱管，水加熱裝置與土壤容器之間設(shè)置有帶 有密封圈的第一導(dǎo)熱隔離板，土壤容器與排水箱之間設(shè)置有帶有密封圈的第二導(dǎo)熱隔離 板，在土壤容器中分布有多個溫度傳感器。
[0008] 所述的儲水裝置包括水槽，水槽通過加壓水栗與水加熱裝置通過管路連通。
[0009] 所述的第一導(dǎo)熱隔離板采用導(dǎo)熱尼龍制成。
[0010]所述的導(dǎo)熱尼龍的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5-1.0(W/m-k)。
[0011] 加壓水栗與水加熱裝置的連通管路上安裝有壓力計。
[0012] 加熱裝置及土壤容器內(nèi)分別安裝有溫度計。
[0013] 土壤容器內(nèi)的溫度傳感器分層布置。
[0014]在儲水裝置的水槽中部、左側(cè)邊緣，底部邊緣;土壤容器頂部邊緣;排水水箱處均 安裝有溫度傳感器;土壤容器上部也安裝有溫度傳感器用于監(jiān)測上部環(huán)境溫度;土壤容器 下部也安裝有溫度傳感器用于監(jiān)測下部環(huán)境溫度。
[0015] 水加熱裝置、土壤容器以及排水水箱的高度相同。
[0016] 利用上述裝置檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的方法，包括以下步驟：
[0017] 步驟一：在水加熱裝置里注滿水，由于水加熱裝置與與土壤容器之間設(shè)置有帶有 密封圈的第一導(dǎo)熱隔離板，水加熱裝置的溫度就能很快且均勻地傳遞到土壤容器的土壤 中，但水槽中的水不會滲透到土壤容器中；實驗時，將水槽中水溫度均勻升高N攝氏度，監(jiān)測 土壤容器中的溫度數(shù)據(jù)并記錄1組溫度數(shù)據(jù)?η;以后以N攝氏度為單位重復(fù)調(diào)整水槽中的水 溫進(jìn)行多次試驗，并記錄溫度升高值Ν和土壤容器中監(jiān)測的溫度系列Τ η;
[0018] 步驟二：移除水加熱裝置與土壤容器，以及土壤容器與排水箱之間第一導(dǎo)熱隔離 板以及第二導(dǎo)熱隔離板上的密封圈，且保持水加熱裝置內(nèi)和排水水箱內(nèi)相同的水位，因此 時為飽和土壤，不會有滲流和溫度傳導(dǎo)發(fā)生，按第一步的要求改變水加熱裝置中的溫度，利 用溫度傳感器測試飽和土壤中溫度傳導(dǎo)情況；
[0019] 步驟三:控制水加熱裝置內(nèi)溫度與壓力情況保持不變，排出排水箱中的水，這樣因 為水頭差，會引起滲流，因滲流引起熱傳導(dǎo)引起的溫度變化及滲流量將被記錄下來，按步驟 一的要求不斷調(diào)整水加熱裝置中水的溫度并重復(fù)進(jìn)行實驗；調(diào)整水加熱裝置中的水位，或 通過加壓水栗調(diào)整水壓，每次調(diào)整一定的水頭，重復(fù)步驟二的實驗，并記錄數(shù)據(jù);分析以上 三步獲取的數(shù)據(jù)，即可得到熱量轉(zhuǎn)移對滲流量的影響，以及他們之間的數(shù)量關(guān)系。
[0020] 本發(fā)明提供的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置為此類檢測提供了一個完整 的檢測設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，使用方便;利用本設(shè)備可以進(jìn)行滲流在壓力和土壤媒介溫度發(fā) 生變化時的關(guān)系的實驗，通過上述所列步驟實驗，可以完成兩個目標(biāo):一是可以采集溫度變 化在土壤中傳導(dǎo)、對流的數(shù)量關(guān)系，二是通過給定壓力P、測定溫度T、土壤容器中的溫度序 列T n和滲流量Q，通過數(shù)字模擬方法分析他們者之前的數(shù)值關(guān)系，并進(jìn)行擬合，形成溫度、壓 力、滲流之間的耦合關(guān)系。
【附圖說明】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明：
[0022] 圖1為本實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2為圖1是I一1、11一II區(qū)的部件接合面示意圖。
[0024]圖3為本發(fā)明附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖4一6為本裝置中溫度傳感器布置示意圖。
[0026]圖中，1、水槽，2、加壓水栗，3、水加熱裝置，4、土壤容器，5、排水箱，6、加熱管，7、第 一導(dǎo)熱隔離板，8、第二導(dǎo)熱隔離板，9、壓力計，10、溫度計，11、溫度傳感器，12、密封圈，13、 附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)，14、螺釘，15螺釘，16、支架，17、水槽放水口，18、水加熱裝置放水 口，19、排氣口，20、土工布，Β代表穩(wěn)定地?zé)嵩础?br>【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)如圖1所示:一種檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，儲水裝置， 儲水裝置與水加熱裝置3連通，在水加熱裝置3下部設(shè)置有加熱管6,水加熱裝置3與土壤容 器4之間設(shè)置有帶有密封圈12的第一導(dǎo)熱隔離板7,第一密封圈12與第一導(dǎo)熱隔離板7通過 多個螺釘14連接，土壤容器4與排水箱5之間設(shè)置有帶有附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)13的第二 導(dǎo)熱隔離板8,附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)13的第二導(dǎo)熱隔離板8之間通過多個螺釘15連接， 在土壤容器4中分布有多個溫度傳感器11，為保證實驗更接近真實情況，構(gòu)造穩(wěn)定地?zé)嵩矗?土壤容器4與大地用導(dǎo)熱材料良好接觸，以獲取與大地同樣的溫度環(huán)境，即圖1中的B部。
[0028] 本發(fā)明的儲水裝置包括水槽1，水槽1通過加壓水栗2與水加熱裝置3通過管路連 通。
[0029] 本裝置的整體安放于支架16上，在水槽1的下部設(shè)置有水槽放水口 17,在水加熱裝 置3底部設(shè)置水加熱裝置放水口 18，水加熱裝置上部設(shè)置有排氣口 19，以便于水氣排出。
[0030] 傳感器分布：以下為本裝置的一個傳感器分布實例：如圖4一6所示，（圖中的編號 代表傳感器），在實際檢測中，傳感器的分布詳可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。在整個裝置中共布置 38個溫度傳感器，監(jiān)視不同區(qū)域的溫度。其中布置在土壤容器4中31個，至下而上共布置6 組，第1組距離容器底部5厘米，第2、3組在同一水平面，距離第一組垂直距離為15厘米，第4、 5、6組垂直距離為10厘米，每組傳感器在同一平面內(nèi)布置間距為20厘米，且均勻分布。
[0031]布置在本實驗裝置其它位置的共有7個，（圖4一 6中未標(biāo)出）分別是布置在水槽中， 布置在容器左側(cè)邊緣，布置在容器底部邊緣，布置在容器頂部邊緣，布置在排水水箱處，布 置在容器上部監(jiān)測上部環(huán)境溫度，布置在容器下部監(jiān)測下部環(huán)境溫度。
[0032]本發(fā)明加工時，按照如圖1所示進(jìn)行加工，各部件使用螺絲連接，下部用支架16,將 各部件固定。
[0033]在進(jìn)行實驗時，第一密封圈12上的螺釘14以及附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)13上的螺 釘15可旋開，并移走相應(yīng)的密封圈。
[0034]通過本實驗裝置完成的實驗步驟如下：
[0035]第一步：在水加熱裝置3里注滿水，水加熱裝置與土壤容器4之間用第一導(dǎo)熱隔離 板7分隔開，這樣水加熱裝置的溫度就能很快且均勻地傳遞到土壤容器的土壤中，但水槽中 的水不會滲透到土壤容器中。實驗時，將水槽中水溫度均勻升高2攝氏度，以模擬土壤中溫 度升高2攝氏度。以后以2攝氏度為單位重復(fù)調(diào)整水槽中的水溫進(jìn)行多次試驗，根據(jù)實際的 要求，也可每次升高如1攝氏度、3攝氏度、4攝氏度等。
[0036] 第二步:移除第一密封圈12，且保持水加熱裝置3內(nèi)和排水箱5內(nèi)相同的水位，因此 時為飽和土壤，此時不會有滲流和溫度傳導(dǎo)發(fā)生，按第一步的要求改變水加熱裝置中的溫 度，測試飽和土壤中溫度傳導(dǎo)和對流情況。
[0037] 第三步:水加熱裝置內(nèi)情況保持不變，排出排水箱5中的水，這樣因為水頭差，會引 起滲流，因滲流引起熱傳導(dǎo)引起的溫度變化及滲流量將被記錄下來，按第一步的要求不斷 調(diào)整水加熱裝置中水的溫度并重復(fù)進(jìn)行實驗。調(diào)整水加熱裝置中的水位，或通過加壓水栗2 調(diào)整水壓，每次調(diào)整0.5米或?qū)嶒炓蟮钠渌麛?shù)據(jù)的水頭，重復(fù)第二步實驗，并記錄數(shù)據(jù)。
[0038] 通過上述所列步驟實驗，可以完成兩個目標(biāo):一是可以采集溫度變化在土壤中傳 導(dǎo)、對流的數(shù)量關(guān)系，二是通過給定壓力P、測定水加熱裝置溫度T、土壤容器中溫度系列T n 和滲流量Q，通過數(shù)字模擬方法分析他們之前的數(shù)值關(guān)系。
[0039] 分析三步獲取的數(shù)據(jù)數(shù)字模擬方法是根據(jù)函數(shù)：（1)和(2)得到，其中公式（1)為熱 傳導(dǎo)方程，公式(2)為滲流計算方程。
[0042] T 溫度
[0043] ρ 水流速度矢量m/s
[0044] qs 單位容積流排空速率?Γ1
[0045] η 土壤孔隙率
[0046] pw 水密度 Kg/m3
[0047] 本發(fā)明中加壓水栗2(最大水壓達(dá)到10米水頭水壓)此部分裝置可以直接用引水管 從高水位的水槽或者水庫引水。
[0048]承壓水在水加熱裝置3中產(chǎn)生滲流，水壓力和溫度都可以精確控制。土壤體積大小 為0.5*0.6*1米，使用滲透系數(shù)為10-4到10-5厘米/秒的粘土，溫度傳感器在土壤中編號，并 按圖4溫度傳感器布置圖順序埋設(shè)在土壤中以便監(jiān)測溫度，傳感器第一行距離底部10厘米， 第二行距離裝置頂部20厘米，同一行中傳感器之間間距為20厘米。
[0049] 本發(fā)明的導(dǎo)熱隔離板采用導(dǎo)熱尼龍制成，選用的導(dǎo)熱尼龍的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5-1.0 (ff/m-k)〇
[0050] 本發(fā)明在于加壓水栗2與水加熱裝置3的連通管路上安裝有壓力計9,可實時監(jiān)測 管路上的水壓力；在水加熱裝置3及土壤容器4內(nèi)分別安裝有溫度計10,可實時監(jiān)測水加熱 裝置3及土壤容器4的溫度。
【主權(quán)項】
1. 一種檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:實驗裝置包括儲水裝置，儲 水裝置與水加熱裝置(3)連通，在水加熱裝置(3)下部設(shè)置有加熱管(6)，水加熱裝置(3)與 土壤容器(4)之間設(shè)置有帶有密封圈（12)的第一導(dǎo)熱隔離板(7)，土壤容器(4)與排水箱(5) 之間設(shè)置有帶有附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)（13)的第二導(dǎo)熱隔離板(8)，在土壤容器(4)中分 布有多個溫度傳感器(11)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:所述的儲 水裝置包括水槽(1 )，水槽(1)通過加壓水栗(2)與水加熱裝置(3)通過管路連通。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:所述的第 一導(dǎo)熱隔離板(7)導(dǎo)熱尼龍制成。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:所述的導(dǎo) 熱尼龍的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5-1.0(W/m-k)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:在于加壓 水栗(2)與水加熱裝置(3)的連通管路上安裝有壓力計(9)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:在水加熱 裝置(3)及土壤容器(4)內(nèi)分別安裝有溫度計(10)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:土壤容器 (4)內(nèi)的溫度傳感器(11)分層布置。8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:在儲 水裝置的水槽中部、左側(cè)邊緣，底部邊緣;土壤容器頂部邊緣;排水水箱處均安裝有溫度傳 感器;土壤容器上部也安裝有溫度傳感器用于監(jiān)測上部環(huán)境溫度;土壤容器下部也安裝有 溫度傳感器用于監(jiān)測下部環(huán)境溫度，以確定穩(wěn)定地?zé)嵩础?. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，其特征在于:水加熱裝 置(3)、土壤容器(4)以及排水水箱(5)的高度相同。10. 利用權(quán)利要求1 一 9任一所述的裝置檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的方法，其特征在于： 包括以下步驟： 步驟一:在水加熱裝置(3)里注滿水，由于水加熱裝置與（3)與土壤容器(4)之間設(shè)置有 帶有第一密封圈的第一導(dǎo)熱隔離板(7)，水加熱裝置的溫度就能很快且均勻地傳遞到土壤 容器的土壤中，但水槽中的水不會滲透到土壤容器中；實驗時，將水槽中水溫度均勻升高N 攝氏度，以模擬土壤中溫度升高N攝氏度；以后以N攝氏度為單位重復(fù)調(diào)整水槽中的水溫進(jìn) 行多次試驗； 步驟二:移除水加熱裝置(3)與土壤容器(4)上的第一導(dǎo)熱隔離板（7)上的第一密封圈 (12)，且保持水加熱裝置(3)內(nèi)和排水水箱(5)內(nèi)相同的水位，因此時為飽和土壤，不會有滲 流和溫度傳導(dǎo)發(fā)生，按步驟一的要求改變水加熱裝置中的溫度，利用溫度傳感器測試飽和 土壤中溫度傳導(dǎo)情況； 步驟三:控制水加熱裝置(3)內(nèi)情況溫度(T)和壓力(P)保持不變，排出排水箱(5)中的 水，這樣因為水頭差，會引起滲流，此時土壤容器中溫度傳感器的溫度系列(Tn)，滲流量(Q) 將被記錄下來，按步驟一的要求不斷調(diào)整水加熱裝置(3)中水的溫度(Τ)并重復(fù)進(jìn)行實驗； 調(diào)整水加熱裝置(3)中的水位，或通過加壓水栗（2)調(diào)整水壓(Ρ)，每次調(diào)整一定的水頭，重 復(fù)步驟二的實驗，并記錄滲流量Q，溫度Τ，溫度序列Τ η，壓力Ρ;分析以上三步獲取的數(shù)據(jù)，通 過數(shù)字模擬方法即可得到壓力、溫度變化對滲流量的影響，以及他們之間的數(shù)量關(guān)系。
【文檔編號】G09B23/16GK105865746SQ201610369826
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月29日
【發(fā)明人】周宜紅, 余曉云, 裴光強(qiáng), 趙春菊, 周劍夫
【申請人】三峽大學(xué)