一种孔隙介质中的渗流实验方法及模具技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种孔隙介质中的渗流实验方法及模具，属于孔隙介质中的渗流实验 探究

技术介绍
孔隙介质是指由固体颗粒组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙 构成的 介质，流体在孔隙介质中的运动称为渗流。表征地下水渗流过程中水流能量损失 变化基本规律的数学方程--渗流基本方程，渗流基本方程是任何定量描述地下水运动和 溶质迁移模型的基础，其核屯、是回答地下水在孔隙介质中运动时水流阻力的变化规律。 达西定律提出后的很长一段时间内，渗流线性方程都是解决地下水运动规律的唯 一方法。直到1901年，Forchheimer通过实验发现，随着流速增大，渗流速度与水力梯度之 间的关系逐渐偏离线性关系：流速越大，非线性的特征越明显，并首度提出在大雷诺数条件 下，水力梯度J和渗流速度U之间的非线性关系式如下：J = Au+Bu2 式中A、B为与流体性质和渗透介质孔隙结构有关的常数。 由于化rc化eimer是通过实验得出的经验性方程，只给出了非线性方程的基本形 式，而对于方程中的参数A、B的物理意义及其影响因素则没有讨论。为了研究渗流参数的 影响因素，许多学者在化rc化eimer方程的基础上，通过室内实验和理论分析的方法对渗 流参数进行讨论，并提出一系列非线性方程，中比较代表性的有： 1949年，化gun和化ning根据Kozeny-Carman公式作为渗透率的计算公式，推导 了如下方程： 式中MS是单位体积固体的比面积，n位孔隙度。当介质颗粒为球形时，d= 6/MS， d为球粒的直径。于是上式可W改写成如下形式： 式中a和P是形状系数为常数，与孔隙的大小和形态有关。我们可W看到，渗流 参数A、B与颗粒的粒径、孔隙度W及液体的粘滞系数有关，方程中仍然包含有a和P等需 要通过实验测定的参数。 1952年，化gun在上式的基础上，通过开展不同气体在压实的砂床模型中的渗流 阻力实验，提出非线性渗流的确定性方程如下： 化gun公式明确的给出了参数A、B与颗粒粒径、孔隙度w及液体运动粘滞系数之 间的定量关系，但Ergun公式的应用仍具有一定的限制，当流速很大时，公式的计算值偏 大，且随着速度增大，误差越来越大。 1964年，Irmay在上式的基础上，根据Kozeny-Carman公式作为渗透率的计算公 式，对化gun公式进行修正，提出更适合于松散介质的非线性方程：[001引 由于Irmay方程中的非线性项的常数也比化gun公式小，因此其Irmay方程在高 流速区的计算值往往较实际值较小，误差较大。 综上所述，渗流参数A、B与颗粒的粒径、孔隙度W及液体的运动粘滞系数有关，前 人总结的渗流方程中仍然包含有a和P等需要通过实验测定的参数。目前的孔隙介质 中的渗流实验方法能够拟合出渗流参数A、B，但在野外大尺度条件下不能够准确定义粒径 (d)、分选及排列方式，无法准确定义孔隙度（n)的大小，因此不能够准确地得到作为研究 非达西流规律的重要非达西流参数a和6,不利于定量化的研究孔隙介质中的渗流状态。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了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桐小到可W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。 本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种孔隙介质中的渗流实 验方法，包括W下步骤： 阳0巧 （1)搭建实验模具：用1组W上由NXNXN个直径为d的等粒径的球粒粘接而成 的立方体单元填充满一个长方体管，所述长方体管的横截面为边长为dXN的正方形，边长 的上限为90mm，球粒与长方体管内管壁连接处固定；将长方体管的进水口端用设有进水口 的盖板密封，将长方体管的出水口端用设有出水口的盖板密封； (2)用离屯、累将水充满长方体管，充分排出长方体管中的气体； (3)使长方体管的进水口端和出水口端的压力差维持在APdW内，记录长方体管 两端的压力和流量作为一组数据；[002引 （4)使长方体管的进水口端和出水口端的压力差增加APi，记录长方体管两端的 压力和流量作为一组数据； 妨重复步骤（4)直到进水口端的水压达到离屯、累能提供的最大水压，进入步骤 (6)； (6)利用各组数据，通过化rc化eimer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a和6,完成孔隙介质中的渗流实验。 步骤（1)中，球粒之间通过氯仿粘接。 步骤（1)中，所述球粒为亚克力球。 步骤（1)中，N不小于6。 本专利技术同时提供了一种基于上述方法的实验模具，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。 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，W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LL的范围为N的20~30倍。 所述长方体管由2节W上管段首尾相接组成，相邻管段之间通过法轮盘连接。 球粒之间通过氯仿粘接。 所述球粒为亚克力球。N不小于6。 本专利技术基于其技术方案所具有的有益效果在于： (1)本专利技术根据研究得到一个结论，即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，运样实验结果越精确；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W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；基于此，本专利技术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 阻力对实验影响小到可W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； (2)本专利技术的管壁选择有机玻璃，材料透明，便于观察实验现象，同时具有足够的 强度，能够承受实验过程中较高的水压； (3)本专利技术选择高精度亚克力球作为填充球粒（直径精度为0. 01mm)，所有的球粒 为大小相同的标准球粒，能够满足按照立方体排列的方式填充至有机玻璃管内，球粒利用 氯仿相互粘结和固定在管壁内，球粒与球粒之间W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，保证了实验过程中球粒不会被水流冲击而产生松动和移位。【附图说明】 图1是本专利技术的实验模具结构示意图。 图2是实施例的正方形模具示意图。 图3是正方形模具示意图，其中图3(1)为2X2的正方形模具，图3似为3X3的 正方形模具，图3(3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种孔隙介质中的渗流实验方法，其特征在于包括以下步骤：(1)搭建实验模具：用1组以上由N×N×N个直径为d的等粒径的球粒粘接而成的立方体单元填充满一个长方体管，所述长方体管的横截面为边长为d×N的正方形，边长的上限为90mm，球粒与长方体管内管壁连接处固定；将长方体管的进水口端用设有进水口的盖板密封，将长方体管的出水口端用设有出水口的盖板密封；(2)用离心泵将水充满长方体管，充分排出长方体管中的气体；(3)使长方体管的进水口端和出水口端的压力差维持在ΔP0以内，记录长方体管两端的压力和流量作为一组数据；(4)使长方体管的进水口端和出水口端的压力差增加ΔP1，记录长方体管两端的压力和流量作为一组数据；(5)重复步骤(4)直到进水口端的水压达到离心泵能提供的最大水压，进入步骤(6)；(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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万军伟，李仲夏，黄琨，何林青，梅伟标，沈仲智，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：湖北;42