一種孔隙介質中的滲流實驗模具的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種孔隙介質中的滲流實驗方法及模具，屬于孔隙介質中的滲流 探究技術領域。
【背景技術】
[0002] 孔隙介質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 構成的
[0003]介質，流體在孔隙介質中的運動稱為滲流。表征地下水滲流過程中水流能量損失 變化基本規律的數學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動和溶 質迀移模型的基礎，其核心是回答地下水在孔隙介質中運動時水流阻力的變化規律。
[0004]達西定律提出后的很長一段時間內，滲流線性方程都是解決地下水運動規律的唯 一方法。直到1901年，Forchheimer通過實驗發現，隨著流速增大，滲流速度與水力梯度之間 的關系逐漸偏離線性關系：流速越大，非線性的特征越明顯，并首度提出在大雷諾數條件 下，水力梯度J和滲流速度u之間的非線性關系式如下：
[0005] J=Au+Bu2
[0006]式中A、B為與流體性質和滲透介質孔隙結構有關的常數。
[0007]由于Forchheimer是通過實驗得出的經驗性方程，只給出了非線性方程的基本形 式，而對于方程中的參數A、B的物理意義及其影響因素則沒有討論。為了研究滲流參數的影 響因素，許多學者在Forchheimer方程的基礎上，通過室內實驗和理論分析的方法對滲流參 數進行討論，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Kozeny-Carman公式作為滲透率的計算公式，推導了 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。當介質顆粒為球形時，d=6/MS，d為 球粒的直徑。于是上式可以改寫成如下形式：
[0012]式中α和β是形狀系數為常數，與孔隙的大小和形態有關。我們可以看到，滲流參數Α、Β與顆粒的粒徑、孔隙度以及液體的粘滯系數有關，方程中仍然包含有α和β等需要通過實 驗測定的參數。
[0013] 1952年，Ergun在上式的基礎上，通過開展不同氣體在壓實的砂床模型中的滲流阻 力實驗，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A、B與顆粒粒徑、孔隙度以及液體運動粘滯系數之間 的定量關系，但Ergun公式的應用仍具有一定的限制，當流速很大時，公式的計算值偏大，且 隨著速度增大，誤差越來越大。
[0016] 1964年，Irmay在上式的基礎上，根據Kozeny-Carman公式作為滲透率的計算公式， 對Ergun公式進行修正，提出更適合于松散介質的非線性方程：
[0018]由于Irmay方程中的非線性項的常數也比Ergun公式小，因此其Irmay方程在高流 速區的計算值往往較實際值較小，誤差較大。
[0019]綜上所述，滲流參數A、B與顆粒的粒徑、孔隙度以及液體的運動粘滯系數有關，前 人總結的滲流方程中仍然包含有α和β等需要通過實驗測定的參數。目前的孔隙介質中的滲 流實驗方法能夠擬合出滲流參數Α、Β，但在野外大尺度條件下不能夠準確定義粒徑(d)、分 選及排列方式，無法準確定義孔隙度(η)的大小，因此不能夠準確地得到作為研究非達西流 規律的重要非達西流參數α和β，不利于定量化的研究孔隙介質中的滲流狀態。
【發明內容】
[0020] 為了解決現有技術的不足，本實用新型提供了一種孔隙介質中的滲流實驗模具， 使得管壁所引起的附加阻力對實驗影恫小到可以忽略，就得到能夠反映立方體排列孔隙介 質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實驗結果的影響。
[0021] 本實用新型為解決其技術問題所采用的技術方案是:提供了一種孔隙介質中的滲 流實驗模具，包括兩端開口的長方體管，所述長方體管的進水口端用設有進水口的蓋板封 閉，長方體管的出水口端用設有出水口的蓋板封閉;所述長方體管內填充滿由ΝXΝXΝ個直 徑為d的等粒徑的亞克力球粒粘接而成的立方體單元，長方體管的橫截面為邊長為dXN的 正方形，邊長的上限為90mm，長方體管的長度為N的整數倍，球粒與長方體管內管壁連接處 固定;長方體管的上方設有2個分別用于測試進水口端壓力和出水口端壓力的壓力探測孔， 所述N不小于6,用于測試進水口端壓力的壓力探測孔距離進水口端的距離，以及用于測試 出水口端壓力的壓力探測孔距離出水口端距離均為L，L的范圍為N的20~30倍。
[0022] 所述長方體管由2節以上管段首尾相接組成，相鄰管段之間通過法輪盤連接。
[0023]球粒之間通過氯仿粘接。
[0024]本實用新型基于其技術方案所具有的有益效果在于：
[0025] (1)本實用新型根據研究得到一個結論，即管壁阻力對實驗的影響只與橫截面填 充球粒的個數有關，與球粒的粒徑無關;隨著橫截面填充球粒個數增多，球粒表面積逐漸增 加，管壁面積所占總表面積的比重越來越小，管壁產生的附加阻力對實驗的影響也會越來 越小;N的數目越大小球跟小球之間的孔的數量才會越來越多，小球和邊壁的孔占得比例就 會越來越少，這樣實驗結果越精確；當橫截面上球粒個數NXN增加到一定數量時，相鄰兩組 模型的滲流規律基本相同、滲流曲線墓本重合;此時管壁所引起的附加阻力對實驗影響小 到可以忽略，就得到能夠反映立方體排列孔隙介質模型滲流阻力特征的典型單元體模型； 基于此，本實用新型提供的一種孔隙介質中的滲流實驗方法及模具，使得管壁所引起的附 加阻力對實驗影響小到可以忽略，就得到能夠反映立方體排列孔隙介質模型滲流阻力特征 的典型單元體模型，能夠消除管壁阻力對實驗結果的影響；
[0026] (2)本實用新型的管壁選擇有機玻璃，材料透明，便于觀察實驗現象，同時具有足 夠的強度，能夠承受實驗過程中較高的水壓；
[0027] (3)本實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準球粒，能夠滿足按照立方體排列的方式填充至有機玻璃管內，球粒 利用氯仿相互粘結和固定在管壁內，球粒與球粒之間以及球粒與管壁之間接觸點必須能夠 粘結起來且具有一定的強度，保證了實驗過程中球粒不會被水流沖擊而產生松動和移位。
【附圖說明】
[0028]圖1是本實用新型的實驗模具結構示意圖。
[0029]圖2是實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-進水口，2-長方形板材，3-法蘭盤，4-螺絲孔，5-壓力探測孔，6-球粒，7-出 水口。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0033] 本實用新型同時提供了一種基于上述方法的實驗模具，參照圖1，包括兩端開口的 長方體管，所述長方體管的進水口端用設有進水口的蓋板封閉，長方體管的出水口端用設 有出水口的蓋板封閉;所述長方體管內填充滿由NXNXN個直徑為d的等粒徑的亞克力球粒 粘接而成的立方體單元，長方體管的橫截面為邊長為dXN的正方形，邊長的上限為90mm，長 方體管的長度為N的整數倍，球粒與長方體管內管壁連接處固定;長方體管的上方設有2個 分別用于測試進水口端壓力和出水口端壓力的壓力探測孔，所述N不小于6,用于測試進水 口端壓力的壓力探測孔距離進水口端的距離，以及用于測試出水口端壓力的壓力探測孔距 離出水口端距離均為L，L的范圍為N的20~30倍。所述長方體管由2節以上管段首尾相接組 成，相鄰管段之間通過法輪盤連接。球粒之間通過氯仿粘接。
[0034]利用本實用新型的孔隙介質中的滲流實驗模具，能夠完成孔隙介質中的滲流實驗 方法，包括以下步驟：
[0035] (1)搭建實驗模具：用1組以上由NXNXN個直徑為d的等粒徑的球粒6粘接而成的 立方體單元填充滿一個長方體管，所述長方體管的橫截面為邊長為dXN的正方形，球粒與 長方體管內