一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种研究多孔介质内孔隙液体流动特性的装置及试验方法，即一种通过非侵入手段测定多孔介质内部液体流动特性和细颗粒移动规律的方法和装置。本方法通过室内模型试验进行多孔介质渗流试验，测定孔隙液体的流动特性和细颗粒迁移规律与水头梯度、颗粒密实度、颗粒级配等因素的关系。

【技术实现步骤摘要】
一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置及试验方法
本专利技术涉及模拟土木工程及水利工程中多孔介质内孔隙液体流动特性的测试方法与测试装置，属于土体渗透破坏规律测试领域。
技术介绍
管涌是在渗流作用下土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙被带出的现象，是渗流破坏的一种主要形式。天然土体是一种由大小不等的固体颗粒组成的多孔非均质介质，发生管涌时，土体中的固体颗粒在一定的水力条件下由原来的静止状态转变为运动状态。因此，管涌的发生就是部分土体发生相变的过程。天然土体中的孔隙通道形状多变、高度立体化，渗流场中，孔隙流速分布不均，而细颗粒的移动来源于孔隙渗流的拖拽力，并且具有启动范围小、速度快，迁移路径复杂、影响因素较多的特性。因此研究孔隙液体的流动特性以及细颗粒在内部孔隙中的移动规律是研究管涌的关键所在。在传统的岩土试验中，往往需要埋入传感器对液体流动特性、颗粒移动情况等进行测量。而这种“侵入式”测量方法会不同程度地破坏土体原有相态，导致测量结果的偏差。现有技术方法对管涌过程中土体相变的临界状态、相变速率等与固-液两相的物理性质之间的关系进行了一系列的研究，探索了土体相变规律与土体特征例如颗粒级配、密实度，以及渗流速度等之间的关系，但通过非侵入式测量研究多孔介质内孔隙液体流动特性以及细颗粒在渗流作用下的移动规律还需更近一步的研究。
技术实现思路
本专利技术提出了一种通过非侵入手段测定多孔介质内部液体流动特性和细颗粒移动规律的方法和装置。本方法通过室内模型试验进行多孔介质渗流试验，测定孔隙液体的流动特性和细颗粒迁移规律与水头梯度、颗粒密实度、颗粒级配等因素的关系。为实现本专利技术目的而采用的技术方案是这样的，一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置，其特征在于:主要包括试样盒、上游水头施加装置、下游水头施加装置、水桶、水泵、数码单反相机和激光灯头，以及多根硅胶软管。所述试样盒侧壁由超白玻璃制成，其下底密封并搁置在实验平台上，其上端敞口。所述试样盒的上端敞口可由密封板封堵。所述上游水头施加装置包括滑杆I、有机玻璃圆桶I-I和有机玻璃圆桶I-II。滑杆I的下端固定在实验平台上。所述有机玻璃圆桶I-I通过滑块挂在滑杆I上。所述有机玻璃圆桶I-II位于有机玻璃圆桶I-I中。所述水泵通过硅胶软管I抽取水桶中的液体后，经过硅胶软管II输送到有机玻璃圆桶I-II中。有机玻璃圆桶I-II被液体灌满后，液体漫出到有机玻璃圆桶I-I中。有机玻璃圆桶I-I下端的出水口通过硅胶软管III接入水桶中，使得有机玻璃圆桶I-I中的液体回流至水桶。所述有机玻璃圆桶I-II下端的出水口通过硅胶软管IV接入到试样盒底部的进水口。所述硅胶软管IV穿透有机玻璃圆桶I-I的底部。所述硅胶软管IV上安装有阀门I。所述下游水头施加装置包括滑杆Ⅱ、有机玻璃圆桶II-I和有机玻璃圆桶II-II。所述滑杆Ⅱ的下端固定在实验平台上。所述有机玻璃圆桶II-I通过滑块挂在滑杆Ⅱ上。所述有机玻璃圆桶II-II位于有机玻璃圆桶II-I中。所述试样盒配置的密封板具有出水口，该出水口通过硅胶软管VI接入到有机玻璃圆桶II-II中。硅胶软管VI具有阀门II。有机玻璃圆桶II-II内的液体被灌满后，漫入有机玻璃圆桶II-I。有机玻璃圆桶II-I下端的出水口通过硅胶软管V接入水桶中。通过滑杆I上的滑块调节有机玻璃圆桶I-I的高度。通过滑杆Ⅱ上的滑块调节有机玻璃圆桶II-I的高度。有机玻璃圆桶I-II的底部始终比有机玻璃圆桶II-II的底部高。所述激光灯头位于试样盒的一侧，向试样盒发射出一个激光面。所述数码单反相机对准试样盒拍摄，且镜头轴线垂直于所述激光面。本专利技术还公开一种基于上述的一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：1〕制备无色透明固体颗粒和透明溶液，二者的折射率相同。制备示踪粒子。按照设定的级配和密实度，将若干无色透明固体颗粒置于试样盒中。试样盒的上端不封闭。水桶中装入含有示踪粒子的透明溶液，即混合液。固定有机玻璃圆桶I-I和有机玻璃圆桶II-I的位置。关闭阀门I和阀门II。2〕启动水泵，水桶里的混合液通过硅胶软管I和硅胶软管II注入到有机玻璃圆桶I-II中。3〕待混合液注满有机玻璃圆桶I-II并漫出到有机玻璃圆桶I-I后，打开阀门I。混合液慢慢通过硅胶软管IV注入到试样盒中并与无色透明固体颗粒混合，在此过程中用玻璃棒轻轻搅拌试样使气泡排出。4〕待试样盒的混合液液面接近试样盒顶端开口时，暂时关掉阀门I，使用所述密封板密封试样盒。5〕同时打开阀门Ⅰ和阀门II，混合液注满试样盒后，经过硅胶软管VI流入有机玻璃圆桶II-II内，待有机玻璃圆桶II-II内的混合液注满后，流入有机玻璃圆桶II-I内，然后经硅胶软管V回流到水桶里。6〕通过调节有机玻璃圆桶I-I和有机玻璃圆桶II-I之间的相对高度来获得预定的混合液水头。7)待混合液循环稳定之后，打开激光灯头，使激光穿过试样盒在试样中形成激光面。8〕调整数码单反相机的位置，捕捉图像。9〕通过多次改变激光灯光和数码单反相机的位置，获得多幅图像。10〕对图像进行处理和数据分析。11〕改变试样盒中的试样级配、密实度，改变水头大小，重复上述过程。本专利技术的技术效果是毋庸置疑的。附图说明图1为本专利技术方法的流程图；图2为本专利技术装置试样溶液循环系统示意图；图3为试样盒简图；图4为单反相机采集的原图；图5为阈值取0.05时所识别出的粒子的二值化图像；图6为阈值取0.1时所识别出的粒子的二值化图像；图7为阈值取0.15时所识别出的粒子的二值化图像；图8为利用最大类间方差法所得的阈值时所识别出的粒子的二值化图像；图9为流场图；图10为流速频数直方图。图中：试样盒1、上游水头施加装置2、滑杆I201、有机玻璃圆桶I-I202、有机玻璃圆桶I-II203、下游水头施加装置3、滑杆Ⅱ301、有机玻璃圆桶II-I302、有机玻璃圆桶II-II303、水桶4、水泵5、硅胶软管I601、硅胶软管II602、硅胶软管III603、硅胶软管IV604、阀门I6041、硅胶软管V605、硅胶软管VI606、阀门II6061、激光灯头7。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但不应该理解为本专利技术上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的保护范围内。实施例1：一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置，其特征在于:主要包括试样盒1、上游水头施加装置2、下游水头施加装置3、水桶4、375水泵5、数码单反相机和激光灯头7，以及多根硅胶软管6。所述试样盒1侧壁由超白玻璃制成，其下底密封并搁置在实验平台上，其上端敞口。所述超白玻璃试样盒高200mm,横截面尺寸100*100mm。内部盛放人造透明多孔介质。其上下两端分别采用有机玻璃顶板和有机玻璃底板封堵,其中有机玻璃底板与超白玻璃侧面提前粘接固定。所述试样盒1的上端敞口可由密封板封堵。所述密封板是有机玻璃顶板，机玻璃顶板和有机玻璃底板呈140*140mm正方形，中间各开有直径10mm的圆孔A和圆孔B，圆孔与液体循环系统的硅胶软管相接；所述顶板与底板四角各开有直径6mm销孔，销孔内插入螺杆，螺杆两端用螺帽固定，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置，其特征在于:主要所述包括试样盒(1)、上游水头施加装置(2)、下游水头施加装置(3)、水桶(4)、水泵(5)、数码单反相机和激光灯头(7)，以及多根硅胶软管(6)；所述试样盒(1)侧壁由超白玻璃制成，其下底密封并搁置在实验平台上，其上端敞口；所述试样盒(1)的上端敞口可由密封板封堵。所述上游水头施加装置(2)包括滑杆I(201)、有机玻璃圆桶I‑I(202)和有机玻璃圆桶I‑II(203)；滑杆I(201)的下端固定在实验平台上；所述有机玻璃圆桶I‑I(202)通过滑块挂在滑杆I(201)上；所述有机玻璃圆桶I‑II(203)位于有机玻璃圆桶I‑I(202)中。所述水泵(5)通过硅胶软管I(601)抽取水桶(4)中的液体后，经过硅胶软管II(602)输送到有机玻璃圆桶I‑II(203)中；有机玻璃圆桶I‑II(203)被液体灌满后，液体漫出到有机玻璃圆桶I‑I(202)中；有机玻璃圆桶I‑I(202)下端的出水口通过硅胶软管III(603)接入水桶(4)中，使得有机玻璃圆桶I‑I(202)中的液体回流至水桶(4)；所述有机玻璃圆桶I‑II(203)下端的出水口通过硅胶软管IV(604)接入到试样盒(1)底部的进水口；所述硅胶软管IV(604)穿透有机玻璃圆桶I‑I(202)的底部；所述硅胶软管IV(604)上安装有阀门I(6041)；所述下游水头施加装置(3)包括滑杆Ⅱ(301)、有机玻璃圆桶II‑I(302)和有机玻璃圆桶II‑II(303)；所述滑杆Ⅱ(301)的下端固定在实验平台上；所述有机玻璃圆桶II‑I(302)通过滑块挂在滑杆Ⅱ(301)上；所述有机玻璃圆桶II‑II(303)位于有机玻璃圆桶II‑I(302)中；所述试样盒(1)配置的密封板具有出水口，该出水口通过硅胶软管VI(606)接入到有机玻璃圆桶II‑II(303)中；硅胶软管VI(606)具有阀门II(6061)；有机玻璃圆桶II‑II(303)内的液体被灌满后，漫入有机玻璃圆桶II‑I(302)；有机玻璃圆桶II‑I(302)下端的出水口通过硅胶软管V(605)接入水桶(4)中；通过滑杆I(201)上的滑块调节有机玻璃圆桶I‑I(202)的高度；通过滑杆Ⅱ(301)上的滑块调节有机玻璃圆桶II‑I(302)的高度；有机玻璃圆桶I‑II(203)的底部始终比有机玻璃圆桶II‑II(303)的底部高；所述激光灯头(7)位于试样盒(1)的一侧，向试样盒(1)发射出一个激光面；所述数码单反相机对准试样盒(1)拍摄，且镜头轴线垂直于所述激光面。...

【技术特征摘要】
1.一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置，其特征在于:主要所述包括试样盒(1)、上游水头施加装置(2)、下游水头施加装置(3)、水桶(4)、水泵(5)、数码单反相机和激光灯头(7)，以及多根硅胶软管(6)；所述试样盒(1)侧壁由超白玻璃制成，其下底密封并搁置在实验平台上，其上端敞口；所述试样盒(1)的上端敞口可由密封板封堵。所述上游水头施加装置(2)包括滑杆I(201)、有机玻璃圆桶I-I(202)和有机玻璃圆桶I-II(203)；滑杆I(201)的下端固定在实验平台上；所述有机玻璃圆桶I-I(202)通过滑块挂在滑杆I(201)上；所述有机玻璃圆桶I-II(203)位于有机玻璃圆桶I-I(202)中。所述水泵(5)通过硅胶软管I(601)抽取水桶(4)中的液体后，经过硅胶软管II(602)输送到有机玻璃圆桶I-II(203)中；有机玻璃圆桶I-II(203)被液体灌满后，液体漫出到有机玻璃圆桶I-I(202)中；有机玻璃圆桶I-I(202)下端的出水口通过硅胶软管III(603)接入水桶(4)中，使得有机玻璃圆桶I-I(202)中的液体回流至水桶(4)；所述有机玻璃圆桶I-II(203)下端的出水口通过硅胶软管IV(604)接入到试样盒(1)底部的进水口；所述硅胶软管IV(604)穿透有机玻璃圆桶I-I(202)的底部；所述硅胶软管IV(604)上安装有阀门I(6041)；所述下游水头施加装置(3)包括滑杆Ⅱ(301)、有机玻璃圆桶II-I(302)和有机玻璃圆桶II-II(303)；所述滑杆Ⅱ(301)的下端固定在实验平台上；所述有机玻璃圆桶II-I(302)通过滑块挂在滑杆Ⅱ(301)上；所述有机玻璃圆桶II-II(303)位于有机玻璃圆桶II-I(302)中；所述试样盒(1)配置的密封板具有出水口，该出水口通过硅胶软管VI(606)接入到有机玻璃圆桶II-II(303)中；硅胶软管VI(606)具有阀门II(6061)；有机玻璃圆桶II-II(303)内的液体被灌满后，漫入有机玻璃圆桶II-I(302)；有机玻璃圆桶II-I(302)下端的出水口通过硅胶软管V(605)接入水桶(4)中；通过滑杆I(201)上的滑块调节有...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁越，陈鹏飞，孙志伟，林加定，刘楠楠，陈晴空，徐炜，邢冰，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50