CN104296962B - 测量多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种测量多孔介质粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，所述实验装置由进液管段装置、试验管段装置、出液管段装置、可调节支撑托架四部分组成。试验管段装置由试验测量管段和试验可视化管段组成；可调节支撑托架由固定架托和可调节高度支撑架组成。液体压降通过试验管段的压差变送器测量，流量由流量变送器测量。该实验装置可快速测量液体流经多孔介质时的流量与压差，进而可定量的确定多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数。该实验装置所采用的理论原理简单，操作容易实现，实验液体可为单相或多相流体，实验多孔介质可为规则、随机不规则形状且不同粒径的细小颗粒材料组成，测量应用范围广泛。
Description
技术领域：
本发明提出了一种测量多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，适用于石油化工及环境工程等行业领域在内的污染物处理过程的计算流体动力学研究，具体涉及一种测量多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置。
背景技术：
油田驱油、土壤中液体污染物修复、输油管道泄漏检测等工程实际应用，往往涉及液体在地层、土壤、砂石等多孔介质中迁移研究问题。多孔介质以固相为固体骨架，所构成的孔隙空间被其他相物质占据。多数地层、土壤、砂石等多孔介质中液体迁移的数值研究，目前采用Fluent等商业软件进行。在利用Fluent等商业软件研究液体流经多孔介质区域过程中的迁移特性时，需要已知粘性阻力系数和惯性阻力系数。因此，获取多孔介质粘性阻力系数和惯性阻力系数具有重要的实际工程应用价值，但现在没有任何一种技术可以测量阻力系数和惯性阻力系数，给测量与施工上造成了很大的不便，为了解决上述技术问题，特提出一种新的技术方案。
发明内容：
本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，而提供一种测量多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，它使用方便、操作简单、易于大规模推广应用。
本发明采用的技术方案为：一种测量多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，主要由进液管段装置、试验管段装置、出液管段装置、可调节支撑托架四部分组成，所述进液管段装置包括：入液管、高位水箱容器、引入管短接、输液软管、三通、法兰盘、不锈钢法兰闸阀A、不锈钢法兰闸阀B及不锈钢法兰闸阀C，高位水箱容器侧壁底端开口焊接引入管短接，输液软管一端通过固定管卡与不锈钢法兰闸阀A密封固定，另一端密封固定于三通上端，三通下端连接不锈钢法兰闸阀B，三通中端端口通过焊接不锈钢连接管段与不锈钢法兰闸阀连接C；所述试验管段装置包括：法兰盘、试验测量管段、不锈钢隔离筛网、球阀、压差变送器LOW端隔膜、压差变送器HIGH端隔膜、智能压差变送器、热电阻、排气阀、流量变送器及试验可视化管段，所述热电阻位于试验测量管段上，所述排气阀分别位于试验测量管段与试验可视化管段上，试验测量管段和试验可视化管段内采用高速流冲击和振荡的方法填充不同粒径颗粒材料，形成多孔介质材料的空间区域，试验测量管段两端采用法兰盘固定在不锈钢隔离筛网上；所述出液管段装置包括：法兰盘、不锈钢法兰闸阀D、弯头、出液管、出液量筒，所述的不锈钢法兰闸阀D与右侧的法兰盘连接，弯头一端与法兰盘通过输液软管连接，弯头另一端与出液管连接，出液管与出液量筒通过输液软管连接；所述可调节支撑托架与固定架托连接。
所述压差变送器LOW端隔膜距离试验测量管段前端入口50cm，压差变送器HIGH端隔膜距离试验测量管段后端出口50cm。
不锈钢隔离筛网采用国标24目不锈钢筛网，采用内径为50mm、长度为1500mm的不锈钢圆管作为模拟多孔介质空间区域的边界范围。
颗粒材料可以是玻璃球、石英砂、沙石颗粒、陶瓷滤料、土壤其中的一种。
本发明的有益效果是：将由通过流量变送器所测得的液体流量数据，根据在液体流经过的截面面积一定的条件下，液体流量与流速之间的线性关系公式:Q＝νA可以计算得到所测得的液体在流经试验管段时的流速数据，将由压差变送器LOW端隔膜与压差变送器HIGH端隔膜所测得的在压差变送器的量程范围内的百分比例数据，对照相应的测量量程计算得出压差变送器LOW端隔膜与压差变送器HIGH端隔膜两端的实际压降数据值。将计算所得流速与压降数值根据Ergun方程：
所述中的流速与压降间的关系表示带入推导出粘性阻力系数和惯性阻力系数，其中：ε为多孔材料孔隙率；dp为粒子直径。粘性阻力系数和惯性阻力系数理论计算数值分别为：
装置结构简单，加工方便，可测定液体通过多孔介质的流量和压差，进而测定粘性阻力系数和惯性阻力系数，通过试验可视化管段观察到随着流体表观速度的不同在试验管段内的流线情况，通过可调节升降支撑架测得有效管段在不同水平倾角范围内试验情况，所通过液体可以为单相和多相流体。
附图说明：
图1是本发明的完整装置结构示意图。
图2是本发明试验测量管段横截面剖视图。
具体实施方式：
参照各图，一种测量多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，主要由进液管段装置、试验管段装置、出液管段装置、可调节支撑托架19四部分组成，所述进液管段装置包括：入液管1、高位水箱容器2、引入管短接3、输液软管4、三通5、法兰盘6、不锈钢法兰闸阀A7-1、不锈钢法兰闸阀B7-2及不锈钢法兰闸阀C7-3，高位水箱容器2侧壁底端开口焊接引入管短接3，输液软管4一端通过固定管卡与不锈钢法兰闸阀A7-1密封固定，另一端密封固定于三通5上端，三通5下端连接不锈钢法兰闸阀B7-2，三通5中端端口通过焊接不锈钢连接管段与不锈钢法兰闸阀C7-3连接；所述试验管段装置包括：法兰盘6、试验测量管段8、不锈钢隔离筛网9、球阀10、压差变送器LOW端隔膜11、压差变送器HIGH端隔膜12、智能压差变送器13、热电阻14、排气阀15、流量变送器16及试验可视化管段17，所述热电阻14位于试验测量管段8上，所述排气阀15分别位于试验测量管段8与试验可视化管段17上，试验测量管段8和试验可视化管段17内采用高速流冲击和振荡的方法填充不同粒径颗粒材料，形成多孔介质材料的空间区域，试验测量管段8两端采用法兰盘6固定在不锈钢隔离筛网9上；所述出液管段装置包括：法兰盘6、不锈钢法兰闸阀D7-4、弯头20、出液管21、出液量筒22，所述的不锈钢法兰闸阀D7-4与右侧的法兰盘6连接，弯头20一端与法兰盘6通过输液软管4连接，弯头20另一端与出液管21连接，出液管21与出液量筒22通过输液软管4连接；所述可调节支撑托架19与固定架托18连接。所述压差变送器LOW端隔膜11距离试验测量管段前端入口50cm，压差变送器HIGH端隔膜12距离试验测量后端出口50cm。不锈钢隔离筛网9采用国标24目不锈钢筛网，采用内径为50mm、长度为1500mm的不锈钢圆管作为模拟多孔介质空间区域的边界范围。颗粒材料可以是玻璃球、石英砂、沙石颗粒、陶瓷滤料、土壤其中的一种。将由通过流量变送器16所测得的液体流量数据，根据在液体流经过的截面面积一定的条件下，液体流量与流速之间的线性关系公式:Q＝νA可以计算得到所测得的液体在流经试验管段时的流速数据，将由压差变送器LOW端隔膜11与压差变送器HIGH端隔膜12所测得的在压差变送器的量程范围内的百分比例数据，对照相应的测量量程计算得出压差变送器LOW端隔膜11与压差变送器HIGH端隔膜11两端的实际压降数据值。将计算所得流速与压降数值根据Ergun方程：
所述中的流速与压降间的关系表示带入推导出粘性阻力系数和惯性阻力系数，其中：ε为多孔材料孔隙率；dp为粒子直径。粘性阻力系数和惯性阻力系数理论计算数值分别为：
装置结构简单，加工方便，可测定液体通过多孔介质的流量和压差，进而测定粘性阻力系数和惯性阻力系数，通过试验可视化管段观察到随着流体表观速度的不同在试验管段内的流线情况，通过可调节升降支撑架测得有效管段在不同水平倾角范围内试验情况，所通过液体可以为单相和多相流体。
Claims (4)
1.一种测量多孔介质的粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，主要由进液管段装置、试验管段装置、出液管段装置、可调节支撑托架四部分组成，其特征在于：所述进液管段装置包括：入液管、高位水箱容器、引入管短接、输液软管、三通、法兰盘、不锈钢法兰闸阀A、不锈钢法兰闸阀B及不锈钢法兰闸阀C，高位水箱容器侧壁底端开口焊接引入管短接，输液软管一端通过固定管卡与不锈钢法兰闸阀A密封固定，另一端密封固定于三通上端，三通下端连接不锈钢法兰闸阀B，三通中端端口通过焊接不锈钢连接管段与不锈钢法兰闸阀C连接；所述试验管段装置包括：法兰盘、试验测量管段、不锈钢隔离筛网、球阀、压差变送器LOW端隔膜、压差变送器HIGH端隔膜、智能压差变送器、热电阻、排气阀、流量变送器及试验可视化管段，所述热电阻位于试验测量管段上，所述排气阀分别位于试验测量管段与试验可视化管段上，试验测量管段和试验可视化管段内采用高速流冲击和振荡的方法填充不同粒径颗粒材料，形成多孔介质材料的空间区域，试验测量管段两端采用法兰盘固定在不锈钢隔离筛网上；所述出液管段装置包括：法兰盘、不锈钢法兰闸阀D、弯头、出液管、出液量筒，所述的不锈钢法兰闸阀Ｄ与右侧的法兰盘连接，弯头一端与法兰盘通过输液软管连接，弯头另一端与出液管连接，出液管与出液量筒通过输液软管连接；所述可调节支撑托架与固定架托连接。
2.根据权利要求1所述的测量多孔介质粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，其特征在于：所述压差变送器LOW端隔膜距离试验测量管段前端入口50cm，压差变送器HIGH端隔膜距离试验测量管段后端出口50cm。
3.根据权利要求1所述的测量多孔介质粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，其特征在于：不锈钢隔离筛网采用国标24目不锈钢筛网，采用内径为50 mm、长度为1500 mm 的不锈钢圆管作为模拟多孔介质空间区域的边界范围。
4.根据权利要求1所述的测量多孔介质粘性阻力系数和惯性阻力系数实验装置，其特征在于：颗粒材料能是玻璃球、石英砂、沙石颗粒、陶瓷滤料、土壤其中的一种。
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