基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，包括顶部敞开的箱体、示踪剂检测探头，箱体的内部固设有第一筛板、与第一筛板相互平行的第二筛板，箱体的内腔被第一筛板和第二筛板分隔为用来投放示踪剂的示踪剂投放槽、中间槽、终端槽，示踪剂投放槽的内部还设置有紧贴第一筛板的隔水闸板，中间槽的内部固设有第三筛板，中间槽被第三筛板分隔为第一分槽和第二分槽，第一分槽中填充有第一多孔介质，第二分槽中填充有第二多孔介质，箱体的顶部设置有与箱体的内壁相配合的透明定位板。该实验装置可用于测量非均质多孔介质的分子扩散系数，实验过程操作简单、成本低、效率高、准确性好。

Experimental device for determination of solute molecular diffusion coefficient based on layered porous media

The present invention relates to an experimental device for measuring solute molecular diffusion coefficient based on layered porous media, which includes an open top box and a tracer detection probe. A first sieve plate and a second sieve plate parallel to the first sieve plate are fixed inside the box, and the inner chamber of the box is separated by the first sieve plate and the second sieve plate for placing tracers. The tracer dropping trough, the intermediate trough and the terminal trough of the tracer dropping trough are also provided with a water barrier board which is close to the first sieve plate. The interior of the intermediate trough is fixed with a third sieve plate. The intermediate trough is divided into the first and the second grooves by the third sieve plate. The first groove is filled with the first porous medium and the second groove is filled with the second porous medium. The top of the box body is provided with a transparent positioning plate matching the inner wall of the box body. The experimental device can be used to measure the molecular diffusion coefficient of heterogeneous porous media. The experimental process is simple, low cost, high efficiency and good accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置
本专利技术涉及一种基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，属于溶质分子扩散系数测定

技术介绍
溶质在多孔介质中的迁移主要受机械弥散(mechanicaldispersion)和分子扩散(diffusion)的驱动。这两者之和被称为水动力弥散(hydrodynamicdispersion)。这两种扩散的物理过程有本质区别，分子扩散是由于存在物理量梯度，包括浓度梯度、温度梯度、压强梯度等引起，而机械弥散主要是由流体(通常为水流)在孔隙中流速的差异性引起。大部分的研究主要关注水动力弥散，而忽略溶质在多孔介质中的分子扩散，原因是分子扩散系数一般远小于机械弥散系数。但在某些情况下，如低流速的水流、高浓度的溶质，分子扩散的作用往往不可忽略。如垃圾填埋场的污染物在含水层中的迁移、地下核废料的泄露等问题，都会更加关注分子扩散的影响。另一方面，地下多孔介质通常为层状结构，各分层的介质性质不同。这种层状非均质结构也会影响溶质分子的扩散系数。因此，分子扩散系数的测定对研究溶质或污染物在地下地质体中的迁移转化具有重要的现实意义。但是目前无论是实验装置还是理论研究，分子扩散均未得到足够的重视，主要的原因在于还没有合适的实验装置去测量。目前测定分子扩散系数的方法主要有：温克尔曼法(Winkelman’sMethod)为代表的无孔隙介质的测试方法,主要应用于非孔隙介质的分子扩散系数测定，对测试条件要求严格，比如恒温、维持液面扩散分压为零等要求，测试出来的是理想状态下的分子扩散系数值。以鲍契维尔法、扩散器法、三轴仪方法、无水头扩散器法等为代表的多孔介质弥散系数测定法，在给定水头下供给水和示踪剂溶液，在不同断面和出口处观测示踪剂浓度变化，有试验观测资料，在一维弥散解析解公式的基础上计算出弥散系数。以上两大类方法广泛应用于测定具有一定流速条件下的弥散系数，除了无水头扩散器，其他几种方法的实验测定结果只能代表水动力弥散系数，并不能代表分子扩散，而无水头扩散器也存在着以下不足：(1)只能测定均值的多孔介质分子扩散系数，不能测定非均值多孔介质的扩散系数；(2)只能测定出口位置的示踪剂浓度，无法掌握分子在土体中的扩散过程；(3)示踪剂的投放区域设计存在可能产生流体速度扰动的可能性，不能保证完全静止，产生较大的实验误差。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足，提供了基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，具体技术方案如下：基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，包括顶部敞开的箱体、示踪剂检测探头，所述箱体的内部固设有第一筛板、与第一筛板相互平行的第二筛板，所述箱体的内腔被第一筛板和第二筛板分隔为用来投放示踪剂的示踪剂投放槽、中间槽、终端槽，所述中间槽设置在示踪剂投放槽和终端槽之间，所述箱体的一侧设置有进水管，所述进水管与示踪剂投放槽连通，所述示踪剂投放槽的内部还设置有紧贴第一筛板的隔水闸板，所述箱体的内壁设置有与隔水闸板边缘相匹配的滑槽，所述滑槽中固设有与隔水闸板边缘相适配的弹性密封条，所述弹性密封条的横截面为U形；所述中间槽的内部固设有第三筛板，所述第三筛板与第一筛板相互垂直，所述中间槽被第三筛板分隔为第一分槽和第二分槽，所述第一分槽中填充有第一多孔介质，所述第一多孔介质的粒径大于第一筛板中筛孔的孔径，所述第一多孔介质的粒径大于第二筛板中筛孔的孔径，所述第一多孔介质的粒径大于第三筛板中筛孔的孔径，所述第二分槽中填充有第二多孔介质，所述第二多孔介质的粒径大于第一筛板中筛孔的孔径，所述第二多孔介质的粒径大于第二筛板中筛孔的孔径，所述第二多孔介质的粒径大于第三筛板中筛孔的孔径；所述箱体的另一侧设置有排水管，所述排水管与终端槽连通；所述箱体的顶部设置有与箱体的内壁相配合的透明定位板，所述透明定位板上设置有多个与示踪剂检测探头相适配的定位孔。作为上述技术方案的改进，所述透明定位板的上方设置有密封箱盖，所述密封箱盖的一侧与箱体的顶部铰接。作为上述技术方案的改进，所述进水管上设置有进水阀，所述排水管上设置有排水阀。作为上述技术方案的改进，所述第一筛板的高度等于第二筛板的高度，所述第三筛板的高度小于第一筛板的高度。作为上述技术方案的改进，所述第一筛板中筛孔的孔径等于第二筛板中筛孔的孔径，所述第三筛板中筛孔的孔径等于第二筛板中筛孔的孔径。作为上述技术方案的改进，所述箱体的外侧固设有保温层，所述保温层和箱体之间还设置有由温控器控制的电加热层。作为上述技术方案的改进，所述隔水闸板的顶端设置有手提孔。作为上述技术方案的改进，所述透明定位板与箱体的内壁之间为间隙配合。本专利技术的有益效果：在本专利技术中，通过隔水闸板配合滑槽和弹性密封条来克服示踪剂投放过程中产生的水流运动干扰问题，示踪剂的投放过程得到控制，确保实验过程中的静止状态；通过透明定位板和示踪剂检测探头的配合，利用不同空间点的检测，精确测量示踪剂分子扩散过程，可获得分子扩散随着时间和空间的变化规律，通过简单的模型反演即可求出示踪剂的分子扩散系数。该实验装置可用于测量非均质多孔介质的分子扩散系数，使其更加符合实际含水层的多层非均质特征；同时，也可通过设定不同温度，测量不同温度条件下的分子扩散系数，从而可精确掌握分子在时间和空间上的扩散特征。利用本专利技术的实验装置进行测量实验，测量过程操作简单、成本低、效率高、准确性好。附图说明图1为本专利技术所述基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置结构示意图(俯视状态)；图2为未填充第一多孔介质和第二多孔介质时箱体内部的示意图(俯视状态)；图3为填充有第一多孔介质和第二多孔介质时箱体内部的示意图(俯视状态)；图4为本专利技术所述箱体内部的示意图(侧视状态)；图5为本专利技术所述保温层和电加热层的结构示意图；图6为本专利技术所述隔水闸板的结构示意图；图7为分层多孔介质中分子扩散概念模型；图8为理论值与观测值的拟合及估计的分子扩散系数。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1～4所示，所述基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，包括顶部敞开的箱体1、示踪剂检测探头9，所述箱体1的内部固设有第一筛板2、与第一筛板2相互平行的第二筛板3，所述箱体1的内腔被第一筛板2和第二筛板3分隔为用来投放示踪剂的示踪剂投放槽1a、中间槽、终端槽1b，所述中间槽设置在示踪剂投放槽1a和终端槽1b之间，所述箱体1的一侧设置有进水管11，所述进水管11与示踪剂投放槽1a连通，所述示踪剂投放槽1a的内部还设置有紧贴第一筛板2的隔水闸板5，所述隔水闸板5与第一筛板2相互平行，所述箱体1的内壁设置有与隔水闸板5边缘相匹配的滑槽，所述滑槽中固设有与隔水闸板5边缘相适配的弹性密封条50，所述弹性密封条50的横截面为U形；所述中间槽的内部固设有第三筛板4，所述第三筛板4与第一筛板2或第二筛板3相互垂直，所述中间槽被第三筛板4分隔为第一分槽1c和第二分槽1d，所述第一分槽1c中填充有第一多孔介质6，所述第一多孔介质6的粒径大于第一筛板2中筛孔的孔径，所述第一多孔介质6的粒径大于第二筛板3中筛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，其特征在于：包括顶部敞开的箱体(1)、示踪剂检测探头(9)，所述箱体(1)的内部固设有第一筛板(2)、与第一筛板(2)相互平行的第二筛板(3)，所述箱体(1)的内腔被第一筛板(2)和第二筛板(3)分隔为用来投放示踪剂的示踪剂投放槽(1a)、中间槽、终端槽(1b)，所述中间槽设置在示踪剂投放槽(1a)和终端槽(1b)之间，所述箱体(1)的一侧设置有进水管(11)，所述进水管(11)与示踪剂投放槽(1a)连通，所述示踪剂投放槽(1a)的内部还设置有紧贴第一筛板(2)的隔水闸板(5)，所述箱体(1)的内壁设置有与隔水闸板(5)边缘相匹配的滑槽，所述滑槽中固设有与隔水闸板(5)边缘相适配的弹性密封条(50)，所述弹性密封条(50)的横截面为U形；所述中间槽的内部固设有第三筛板(4)，所述第三筛板(4)与第一筛板(2)相互垂直，所述中间槽被第三筛板(4)分隔为第一分槽(1c)和第二分槽(1d)，所述第一分槽(1c)中填充有第一多孔介质(6)，所述第一多孔介质(6)的粒径大于第一筛板(2)中筛孔的孔径，所述第一多孔介质(6)的粒径大于第二筛板(3)中筛孔的孔径，所述第一多孔介质(6)的粒径大于第三筛板(4)中筛孔的孔径，所述第二分槽(1d)中填充有第二多孔介质(7)，所述第二多孔介质(7)的粒径大于第一筛板(2)中筛孔的孔径，所述第二多孔介质(7)的粒径大于第二筛板(3)中筛孔的孔径，所述第二多孔介质(7)的粒径大于第三筛板(4)中筛孔的孔径；所述箱体(1)的另一侧设置有排水管(12)，所述排水管(12)与终端槽(1b)连通；所述箱体(1)的顶部设置有与箱体(1)的内壁相配合的透明定位板(8)，所述透明定位板(8)上设置有多个与示踪剂检测探头(9)相适配的定位孔(81)。...

【技术特征摘要】
1.基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，其特征在于：包括顶部敞开的箱体(1)、示踪剂检测探头(9)，所述箱体(1)的内部固设有第一筛板(2)、与第一筛板(2)相互平行的第二筛板(3)，所述箱体(1)的内腔被第一筛板(2)和第二筛板(3)分隔为用来投放示踪剂的示踪剂投放槽(1a)、中间槽、终端槽(1b)，所述中间槽设置在示踪剂投放槽(1a)和终端槽(1b)之间，所述箱体(1)的一侧设置有进水管(11)，所述进水管(11)与示踪剂投放槽(1a)连通，所述示踪剂投放槽(1a)的内部还设置有紧贴第一筛板(2)的隔水闸板(5)，所述箱体(1)的内壁设置有与隔水闸板(5)边缘相匹配的滑槽，所述滑槽中固设有与隔水闸板(5)边缘相适配的弹性密封条(50)，所述弹性密封条(50)的横截面为U形；所述中间槽的内部固设有第三筛板(4)，所述第三筛板(4)与第一筛板(2)相互垂直，所述中间槽被第三筛板(4)分隔为第一分槽(1c)和第二分槽(1d)，所述第一分槽(1c)中填充有第一多孔介质(6)，所述第一多孔介质(6)的粒径大于第一筛板(2)中筛孔的孔径，所述第一多孔介质(6)的粒径大于第二筛板(3)中筛孔的孔径，所述第一多孔介质(6)的粒径大于第三筛板(4)中筛孔的孔径，所述第二分槽(1d)中填充有第二多孔介质(7)，所述第二多孔介质(7)的粒径大于第一筛板(2)中筛孔的孔径，所述第二多孔介质(7)的粒径大于第二筛板(3)中筛孔的孔径，所述第二多孔介质(7)的粒径大于第三筛板(4)中筛孔的孔径；所述箱体(1)的另一侧设置有排水管(12)，所述排水管(12)与终端槽(...

【专利技术属性】
技术研发人员：范廷玉，王顺，詹红兵，胡友彪，吴建宇，王月越，张金棚，余乐，李璋琦，
申请(专利权)人：安徽理工大学，中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：安徽,34