一種孔隙介質(zhì)中的滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叩闹谱鞣椒?br>【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種孔隙介質(zhì)中的滲流實(shí)驗(yàn)方法及模具，屬于孔隙介質(zhì)中的滲流 探究技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 孔隙介質(zhì)是指由固體顆粒組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙 構(gòu)成的
[0003]介質(zhì)，流體在孔隙介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為滲流。表征地下水滲流過(guò)程中水流能量損失 變化基本規(guī)律的數(shù)學(xué)方程一滲流基本方程，滲流基本方程是任何定量描述地下水運(yùn)動(dòng)和溶 質(zhì)迀移模型的基礎(chǔ)，其核心是回答地下水在孔隙介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)水流阻力的變化規(guī)律。
[0004]達(dá)西定律提出后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，滲流線性方程都是解決地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的唯 一方法。直到1901年，F(xiàn)orchheimer通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著流速增大，滲流速度與水力梯度之間 的關(guān)系逐漸偏離線性關(guān)系：流速越大，非線性的特征越明顯，并首度提出在大雷諾數(shù)條件 下，水力梯度J和滲流速度u之間的非線性關(guān)系式如下：
[0005] J=Au+Bu2
[0006]式中A、B為與流體性質(zhì)和滲透介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。
[0007]由于Forchheimer是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)性方程，只給出了非線性方程的基本形 式，而對(duì)于方程中的參數(shù)A、B的物理意義及其影響因素則沒(méi)有討論。為了研究滲流參數(shù)的影 響因素，許多學(xué)者在Forchheimer方程的基礎(chǔ)上，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論分析的方法對(duì)滲流參 數(shù)進(jìn)行討論，并提出一系列非線性方程，中比較代表性的有：
[0008]1949年，Ergun和Orning根據(jù)Kozeny-Carman公式作為滲透率的計(jì)算公式，推導(dǎo)了 如下方程：
[00?0]式中MS是單位體積固體的比面積，η位孔隙度。當(dāng)介質(zhì)顆粒為球形時(shí)，d=6/MS，d為 球粒的直徑。于是上式可以改寫(xiě)成如下形式：
[0012]式中α和β是形狀系數(shù)為常數(shù)，與孔隙的大小和形態(tài)有關(guān)。我們可以看到，滲流參數(shù)Α、Β與顆粒的粒徑、孔隙度以及液體的粘滯系數(shù)有關(guān)，方程中仍然包含有α和β等需要通過(guò)實(shí) 驗(yàn)測(cè)定的參數(shù)。
[0013] 1952年，Ergun在上式的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展不同氣體在壓實(shí)的砂床模型中的滲流阻 力實(shí)驗(yàn)，提出非線性滲流的確定性方程如下：
[0015]Ergun公式明確的給出了參數(shù)A、B與顆粒粒徑、孔隙度以及液體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)之間 的定量關(guān)系，但Ergun公式的應(yīng)用仍具有一定的限制，當(dāng)流速很大時(shí)，公式的計(jì)算值偏大，且 隨著速度增大，誤差越來(lái)越大。
[0016] 1964年，Irmay在上式的基礎(chǔ)上，根據(jù)Kozeny-Carman公式作為滲透率的計(jì)算公式， 對(duì)Ergun公式進(jìn)行修正，提出更適合于松散介質(zhì)的非線性方程：
[0018]由于Irmay方程中的非線性項(xiàng)的常數(shù)也比Ergun公式小，因此其Irmay方程在高流 速區(qū)的計(jì)算值往往較實(shí)際值較小，誤差較大。
[0019]綜上所述，滲流參數(shù)A、B與顆粒的粒徑、孔隙度以及液體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)有關(guān)，前 人總結(jié)的滲流方程中仍然包含有α和β等需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的參數(shù)。目前的孔隙介質(zhì)中的滲 流實(shí)驗(yàn)方法能夠擬合出滲流參數(shù)Α、Β，但在野外大尺度條件下不能夠準(zhǔn)確定義粒徑(d)、分 選及排列方式，無(wú)法準(zhǔn)確定義孔隙度(η)的大小，因此不能夠準(zhǔn)確地得到作為研究非達(dá)西流 規(guī)律的重要非達(dá)西流參數(shù)α和β，不利于定量化的研究孔隙介質(zhì)中的滲流狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種孔隙介質(zhì)中的滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)＞撸?使得管壁所引起的附加阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)影恫小到可以忽略，就得到能夠反映立方體排列孔隙介 質(zhì)模型滲流阻力特征的典型單元體模型，能夠消除管壁阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
[0021] 本實(shí)用新型為解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:提供了一種孔隙介質(zhì)中的滲 流實(shí)驗(yàn)?zāi)＞撸▋啥碎_(kāi)口的長(zhǎng)方體管，所述長(zhǎng)方體管的進(jìn)水口端用設(shè)有進(jìn)水口的蓋板封 閉，長(zhǎng)方體管的出水口端用設(shè)有出水口的蓋板封閉;所述長(zhǎng)方體管內(nèi)填充滿(mǎn)由ΝXΝXΝ個(gè)直 徑為d的等粒徑的亞克力球粒粘接而成的立方體單元，長(zhǎng)方體管的橫截面為邊長(zhǎng)為dXN的 正方形，邊長(zhǎng)的上限為90mm，長(zhǎng)方體管的長(zhǎng)度為N的整數(shù)倍，球粒與長(zhǎng)方體管內(nèi)管壁連接處 固定;長(zhǎng)方體管的上方設(shè)有2個(gè)分別用于測(cè)試進(jìn)水口端壓力和出水口端壓力的壓力探測(cè)孔， 所述N不小于6,用于測(cè)試進(jìn)水口端壓力的壓力探測(cè)孔距離進(jìn)水口端的距離，以及用于測(cè)試 出水口端壓力的壓力探測(cè)孔距離出水口端距離均為L(zhǎng)，L的范圍為N的20~30倍。
[0022] 所述長(zhǎng)方體管由2節(jié)以上管段首尾相接組成，相鄰管段之間通過(guò)法輪盤(pán)連接。
[0023]球粒之間通過(guò)氯仿粘接。
[0024]本實(shí)用新型基于其技術(shù)方案所具有的有益效果在于：
[0025] (1)本實(shí)用新型根據(jù)研究得到一個(gè)結(jié)論，即管壁阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響只與橫截面填 充球粒的個(gè)數(shù)有關(guān)，與球粒的粒徑無(wú)關(guān);隨著橫截面填充球粒個(gè)數(shù)增多，球粒表面積逐漸增 加，管壁面積所占總表面積的比重越來(lái)越小，管壁產(chǎn)生的附加阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響也會(huì)越來(lái) 越小;N的數(shù)目越大小球跟小球之間的孔的數(shù)量才會(huì)越來(lái)越多，小球和邊壁的孔占得比例就 會(huì)越來(lái)越少，這樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果越精確；當(dāng)橫截面上球粒個(gè)數(shù)NXN增加到一定數(shù)量時(shí)，相鄰兩組 模型的滲流規(guī)律基本相同、滲流曲線墓本重合;此時(shí)管壁所引起的附加阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)影響小 到可以忽略，就得到能夠反映立方體排列孔隙介質(zhì)模型滲流阻力特征的典型單元體模型； 基于此，本實(shí)用新型提供的一種孔隙介質(zhì)中的滲流實(shí)驗(yàn)方法及模具，使得管壁所引起的附 加阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)影響小到可以忽略，就得到能夠反映立方體排列孔隙介質(zhì)模型滲流阻力特征 的典型單元體模型，能夠消除管壁阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；
[0026] (2)本實(shí)用新型的管壁選擇有機(jī)玻璃，材料透明，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)具有足 夠的強(qiáng)度，能夠承受實(shí)驗(yàn)過(guò)程中較高的水壓；
[0027] (3)本實(shí)用新型選擇高精度亞克力球作為填充球粒(直徑精度為0.01mm)，所有的 球粒為大小相同的標(biāo)準(zhǔn)球粒，能夠滿(mǎn)足按照立方體排列的方式填充至有機(jī)玻璃管內(nèi)，球粒 利用氯仿相互粘結(jié)和固定在管壁內(nèi)，球粒與球粒之間以及球粒與管壁之間接觸點(diǎn)必須能夠 粘結(jié)起來(lái)且具有一定的強(qiáng)度，保證了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中球粒不會(huì)被水流沖擊而產(chǎn)生松動(dòng)和移位。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是本實(shí)用新型的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖2是實(shí)施例的正方形模具示意圖。
[0030]圖3是正方形模具示意圖，其中圖3(1)為2X2的正方形模具，圖3(2)為3X3的正方 形模具，圖3(3)為4X4的正方形模具，圖3(4)為5X5的正方形模具。
[0031 ]圖中：1-進(jìn)水口，2-長(zhǎng)方形板材，3-法蘭盤(pán)，4-螺絲孔，5-壓力探測(cè)孔，6-球粒，7-出 水口。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0033] 本實(shí)用新型同時(shí)提供了一種基于上述方法的實(shí)驗(yàn)?zāi)＞撸瑓⒄請(qǐng)D1，包括兩端開(kāi)口的 長(zhǎng)方體管，所述長(zhǎng)方體管的進(jìn)水口端用設(shè)有進(jìn)水口的蓋板封閉，長(zhǎng)方體管的出水口端用設(shè) 有出水口的蓋板封閉;所述長(zhǎng)方體管內(nèi)填充滿(mǎn)由NXNXN個(gè)直徑為d的等粒徑的亞克力球粒 粘接而成的立方體單元，長(zhǎng)方體管的橫截面為邊長(zhǎng)為dXN的正方形，邊長(zhǎng)的上限為90mm，長(zhǎng) 方體管的長(zhǎng)度為N的整數(shù)倍，球粒與長(zhǎng)方體管內(nèi)管壁連接處固定;長(zhǎng)方體管的上方設(shè)有2個(gè) 分別用于測(cè)試進(jìn)水口端壓力和出水口端壓力的壓力探測(cè)孔，所述N不小于6,用于測(cè)試進(jìn)水 口端壓力的壓力探測(cè)孔距離進(jìn)水口端的距離，以及用于測(cè)試出水口端壓力的壓力探測(cè)孔距 離出水口端距離均為L(zhǎng)，L的范圍為N的20~30倍。所述長(zhǎng)方體管由2節(jié)以上管段首尾相接組 成，相鄰管段之間通過(guò)法輪盤(pán)連接。球粒之間通過(guò)氯仿粘接。
[0034]利用本實(shí)用新型的孔隙介質(zhì)中的滲流實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，能夠完成孔隙介質(zhì)中的滲流實(shí)驗(yàn) 方法，包括以下步驟：
[0035] (1)搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)＞撸河?組以上由NXNXN個(gè)直徑為d的等粒徑的球粒6粘接而成的 立方體單元填充滿(mǎn)一個(gè)長(zhǎng)方體管，所述長(zhǎng)方體管的橫截面為邊長(zhǎng)為dXN的正方形，球粒與 長(zhǎng)方體管內(nèi)