CN101975734A - 多孔材料流—固—热多场耦合渗透率测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔材料流—固—热多场耦合渗透率测量装置及测量方法，特别是针对流场、温度场耦合下人工骨多孔支架渗透率的测量装置和测量方法。该装置可以将溶液从进液软管输入，从出液软管流出，通过微流量传感器可以直接测出流体累积流量，通过进液空腔压力传感器与排液空腔压力传感器测得进液空腔和排液空腔压力之差，再结合流体粘度、多孔材料长度和截面积，提出一种计算多孔材料渗透率的方法。本发明的技术方案考虑了温度场变化对渗透性能的影响，实现了流—固—热多场耦合情况下对多孔材料的渗透性能测量。

Description

多孔材料流—固—热多场耦合渗透率测量装置及其测量方法

所属领域 

本发明涉及一种多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置及测量方法。特别是针对流场、温度场耦合下人工骨多孔支架渗透率的测量装置和测量方法。 

背景技术

多孔材料由于其相对密度小、比表面积大、热导率低及强度高等优异性能，被广泛应用于航空航天、电子通讯、交通运输、原子能、医学等诸多方面。渗透系数(亦称渗透率)是衡量多孔材料物理特性优劣的一个重要指标，渗透率测量仪则是测定多孔材料渗透系数的一种仪器。目前，渗透率测量主要集中应用于煤岩、沙土、岩石领域，测量方法主要基于常水头和变水头测量原理，依此原理发明的测量仪器测量精度低，操作繁琐，速度慢等缺点。随着多孔支架在生物医学领域的应用和推广，评价生物多孔支架材料的渗透性能优劣也愈发重要。但是有关生物骨支架渗透率测量仪器未有文献报道，对于血清蛋白等营养液在体温(37℃)下相对于多孔材料支架的渗透系数评定也愈发重要，它的测量直接关系生物多孔支架材料在骨移植术后成活的关键评价指标，因此，多孔支架材料渗透率测量仪器的发明在生物医学组织工程领域具有重要意义。 

变水头法测定多孔材料渗透系数的液体渗流必须满足层流条件。该方法测定多孔材料渗透系数的测定仪器仍需在以下三个方面进行改进： 

(1)秒表计时，由于人为读数和操作很容易引入主观观测误差，造成测量结果的准确性有待提高； 

(2)由于没有考虑温度场对渗透系数的影响，故渗流液体的动力粘度系数必然造成测量不出不同温度下的多孔材料的渗透系数，仅能从宏观测量近似反映不同温度渗流液体的渗透系数； 

(3)由于主观人为方法获取渗透系数的测量变量，因此测量变量相对多，且渗透系数操作和计算并不简便，测量变量可以减少，操作方法和仪器本身有待改进。 

常水头试验方法中水头差容易测量但易波动，且该测量仪器也相对复杂，系统对外界环境变化敏感；其次，该方法操作复杂，需要很多辅助测量装置协作完成，因此测量多孔材料渗透率耗时，并且此方法同样未考虑温度因素对测量多孔材料渗透率的影响。 

发明专利91226407.1公开了一种渗透率梯度测试仪，其主要测试岩心纵向分段渗透率参数，此方法需要从环压输入孔加入环压来实现密封，装置过于庞大，操作不便，对于生物骨支架渗透率测量更是不易操作。发明专利200420007652公开了一种多功能道路材料渗透测定仪，首先他利用水箱和测试容器的压差来维持进液，这样就不能保证精确的流量，其次利用天平测量渗流出的水的质量，如此造成误差传递，影响测量精度。发明专利200510031317.2公开了渗透系数测定方法及测定仪，它主要用于土样渗透性能的研 究。这些测量技术的测量范围及检测精度均有待改善。上述发明仪器均未考虑温度变化对多孔材料渗透率的影响。实际上温度的变化直接导致多孔介质的微观结构，这样直接导致渗透率测量的准确性。对于多孔材料在温度和应力耦合条件下的低渗透率测量已引起该领域学者关注，然而用于温度和压力耦合条件下的渗透率测量仪器未见发明。对于生物多孔支架在温度和压力耦合条件下渗透率的测量就更未有报道。 

发明内容

本发明的目的是，针对现有多孔材料渗透率测量在流-固-热多场耦合场的条件下，未考虑温度场变化对渗透性能的影响的不足，提供一种新的多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置及其测量方法。 

本发明的技术方案是：一种多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置，主要包括盖1、外筒2、保温材料3和内筒4；保温材料3填充在外筒2和内筒4之间；盖1、外筒2、保温材料3和内筒4使得内筒4内部形成一空腔；内筒4内壁为一台阶型壁面，待测多孔材料5位于该台阶上，其外壁面和内筒4内壁紧密配合，同时，多孔材料5将内筒4内部的空腔分割为右侧的进液空腔和左侧的排液空腔；排液空腔内有一个外壁与内筒4内壁吻合的套筒6，套筒6用来压紧多孔材料5，防止因液体压力而使被测实验材料发生移动，造成实验误差；密封圈7放置在套筒6的左侧，其左侧由盖1顶紧；一根依次贯穿外筒2、保温材料3和内筒4的进液软管8将进液空腔和外界连通，另一根依次贯穿套筒6、内筒4、保温材料3和外筒2的排液软管9将排液空腔和外界连通；所述的排液软管9上装有一个微流量传感器10；进液空腔或排液空腔中装有一个温度传感器11，用于测定液体的温度；温度传感器11也可以在进液空腔和排液空腔中各装有一个。进液空腔和排液空腔分别装有进液空腔压力传感器12和排液空腔压力传感器13，用于测定渗流液体的压力。 

利用上述测量装置进行多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量的方法，包括如下步骤： 

步骤1：关闭微流量传感器10)，通过进液软8通入液体一段时间，以保证多孔材料达到饱和渗流状态；同时置测试次数标识i＝1； 

步骤2：通过温度传感器11得到液体温度T，并保证T恒定；打开微流量传感器10继续通过进液软管8通入液体一段时间t_i，记录该时间段t_i内的流体累积流量Q_i； 

步骤3：计算当前测试周期的渗透率B_i： 

$B_i=\frac{Q_i{\mathrm{\η}}_T\mathrm{\δ}}{t_{i}A(P_{1i}-P_{2i})}$

式中：η_T为温度T下的流体粘度系数； 

δ为待测多孔材料5的长度； 

A为待测多孔材料5的截面积； 

P_1i为时间段t_i内进液空腔压力，由进液空腔压力传感器12读数得到； 

P_2i为时间段t_i内排液空腔压力，由排液空腔压力传感器13读数得到。 

在计算中，各物理量Q_i、η_T、δ、t_i、A、P_1i、P_2i的单位分别取为m³、P_a·s、m、s、m²、P_a、P_a，算得的渗透率B_i单位为m²； 

步骤4：i＝i+1，如果i≤N，依次重复步骤2和3，计算下一个测试周期的渗透率B_i；否则如果i＞N，进入步骤5；N为自然数，表示测试次数； 

步骤5：求多孔材料渗透率B： $B=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i}{N}.$

采用以上方案的有益效果：本发明所用装置可以将溶液从进液孔输入，从出液孔流出，通过微流量传感器可以直接测出溶液流动速率，从而测出多孔材料渗透率。内筒和外筒之间加入的保温材料，很好的起到了隔热效果，可以在温度测量时使误差减小到最小。盖和套筒之间的密封圈，可以有效保证液体全部从出口流出，减少实验误差。多孔材料右端安装热电阻传感器，可以精确的计算热量的流失，出口处安装了微流量传感器，可以精确的测出液体渗流量，从而做到了综合考虑流-固-热耦合场下对多孔材料的渗透性能测量。 

附图及附图说明 

图1：本发明提出的多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置示意图 

图中，1-盖，2-外筒，3-保温材料，4-内筒，5-多孔材料，6-套筒，7-密封圈，8-进液软管，9-排液软管，10-微流量传感器，11-进液空腔温度传感器，12-进液空腔压力传感器，13-排液空腔压力传感器 

具体实施方式

参阅图1，本实施例中的多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置用于松质骨试样的渗透率测量，该装置包括胶木盖1、不锈钢外筒2、聚乙烯保温材料3、不锈钢内筒4和不锈钢套筒6；保温材料3密封胶结于外筒2和内筒4之间，减少热量的耗散，从而减少测量误差；盖1、外筒2、保温材料3和内筒4使得内筒4内部形成一空腔；内筒4内壁为一台阶型壁面，台阶上放置直径d＝15mm，高度δ＝12mm圆柱形去蛋白猪肋松质骨的多孔材料5，其外壁面和内筒4内壁紧密配合，同时，多孔材料5将内筒4内部的空腔分割为右侧的进液空腔和左侧的排液空腔；排液空腔内有一个外壁与内筒4内壁吻合的环状套筒6， 套筒6用来压紧多孔材料5，防止因液体压力而使被测实验材料发生移动，造成实验误差；密封圈7放置在套筒6的左侧，其左侧由盖1顶紧；一根依次贯穿外筒2、保温材料3和内筒4的进液软管8将进液空腔和外界连通，外连输液泵，PVC进液软管(8)外径为5mm，它与外筒(2)、保温材料(3)和内筒(4)的小孔内闭密封；另一根依次贯穿套筒6、内筒4、保温材料3和外筒2的排液软管9将排液空腔和外界连通；PVC排液软管9外径也为5mm，亦与所穿过小孔的内壁密封；排液软管9上装有一个微流量传感器10，本例中使用的是MicroFlow^TM微流量传感器；进液空腔中装有一个温度传感器11，本例中使用的是霍尼韦尔PT1000铂电阻温度传感器。进液空腔和排液空腔分别装有进液空腔压力传感器12和排液空腔压力传感器13，本例中使用的都是K-TEK压力传感器，用于测定渗流液体的压力。 

利用本实施例的装置，进行松质骨试样多孔材料的渗透率测量方法，包括如下步骤： 

步骤1：关闭微流量传感器10，通过进液软管8通入纯净水5分钟，以保证多孔材料渗流达到饱和状态；同时置测试次数标识i＝1； 

步骤2：通过温度传感器11得到温度T＝35摄氏度，并保证T恒定；打开微流量传感器10继续通过进液软管8通入液体一段时间t_i，记录该时间段t_i内的流体累积流量Q_i；本实施例中，各测试周期中t_i均为90s； 

步骤3：计算当前测试周期的渗透率B_i： 

$B_i=\frac{Q_i{\mathrm{\η}}_T\mathrm{\δ}}{t_{i}A(P_{1i}-P_{2i})}$

式中：η_T为35摄氏度下纯净水的粘度系数，η_T＝0.723×10^-3P_a·s； 

δ为待测多孔材料5的长度，δ＝12×10^-3m 

A为待测多孔材料5的截面积，该圆柱形去蛋白猪肋松质骨截面积半径r＝7.5×10^-3m，算出其截面积A＝π·r²＝176.625×10^-6m²； 

P_1i为进液空腔压力，由进液空腔压力传感器12读数得到； 

P_2i为排液空腔压力，由排液空腔压力传感器13读数得到。 

在计算中，各物理量Q₁、η_T、δ、t_i、A、P_1i、P_2i的单位分别取为m³、P_a·s、m、s、m²、P_a、P_a，算得的渗透率B_i单位为m²； 

步骤4：i＝i+1，如果i ≤N，依次重复步骤2和3，计算下一个测试周期的渗透率B_i；否则如果i＞N，进入步骤5；本例中测试次数N＝5； 

五次测试周期中的Q_i、P_1i、P_2i读数，以及各周期中算得的渗透率B_i如下： 

次数i	Qi(×10-6m3)	P1i(×105Pa)	P2i(×105Pa)	Bi(×10-11m2)
					1	102.05	1.100	1.046	1.04428
2	280.11	1.200	1.045	0.98610
					3	485.63	1.300	1.043	1.04417
4	643.41	1.400	1.047	1.00719
					5	844.56	1.500	1.045	1.02569

步骤5：求多孔材料渗透率B： $B=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i}{5}=1.02399\×{10}^{-11}{m}^2.$

Claims (4)

1.一种多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置，其特征在于：主要包括盖(1)、外筒(2)、保温材料(3)和内筒(4)；保温材料(3)填充在外筒(2)和内筒(4)之间；盖(1)、外筒(2)、保温材料(3)和内筒(4)使得内筒(4)内部形成一空腔；内筒(4)内壁为一台阶型壁面，待测多孔材料(5)位于该台阶上，其外壁面和内筒(4)内壁紧密配合，同时，多孔材料(5)将内筒(4)内部的空腔分割为右侧的进液空腔和左侧的排液空腔；排液空腔内有一个外壁与内筒(4)内壁吻合的套筒(6)，套筒(6)用来压紧多孔材料(5)；密封圈(7)放置在套筒(6)的左侧，其左侧由盖(1)顶紧；一根依次贯穿外筒(2)、保温材料(3)和内筒(4)的进液软管(8)将进液空腔和外界连通，另一根依次贯穿套筒(6)、内筒(4)、保温材料(3)和外筒(2)的排液软管(9)将排液空腔和外界连通；所述的排液软管(9)上装有一个微流量传感器(10)；进液空腔或排液空腔中装有一个温度传感器(11)；进液空腔和排液空腔分别装有进液空腔压力传感器(12)和排液空腔压力传感器(13)，用于测定渗流液体的压力。

2.一种如权利要求1所述的多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置，其特征在于：所述的温度传感器(11)在进液空腔和排液空腔中各装有一个。

3.一种如权利要求1所述的多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量装置，其特征在于：所述的保温材料(3)为聚乙烯。

4.一种利用如权利要求1或2所述的测量装置进行多孔材料流-固-热多场耦合渗透率测量的方法，包括如下步骤：

步骤1：关闭微流量传感器(10)，通过进液软管(8)通入液体一段时间，以保证多孔材料达到饱和渗流状态；同时置测试次数标识i＝1；

步骤2：通过温度传感器(11)得到液体温度T，并保证T恒定；打开微流量传感器(10)继续通过进液软管(8)通入液体一段时间t_i，记录该时间段t_i内的流体累积流量Q_i；

步骤3：计算当前测试周期的渗透率B_i：

$B_i=\frac{Q_i{\mathrm{\η}}_T\mathrm{\δ}}{t_{i}A(P_{1i}-P_{2i})}$

式中：η_T为温度T下的流体粘度系数；

δ为待测多孔材料(5)的长度；

A为待测多孔材料(5)的截面积；

P_1i为时间段t_i内进液空腔压力，由进液空腔压力传感器(12)读数得到；

P_2i为时间段t_i内排液空腔压力，由排液空腔压力传感器(13)读数得到。

在计算中，各物理量Q_i、η_T、δ、t_i、A、P_1i、P_2i的单位分别取为m³、P_a·s、m、s、m²、P_a、P_a，算得的渗透率B_i单位为m²；

步骤4：i＝i+1，如果i≤N，依次重复步骤2和3，计算下一个测试周期的渗透率B_i；否则如果i＞N，进入步骤5；N为自然数，表示测试次数；

步骤5：求多孔材料渗透率B： $B=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i}{N}.$

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