CN105865746B - 一种检测渗流与压力温度关系的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种检测渗流与压力温度关系的实验装置及方法，包括储水装置，储水装置与水加热装置）通过水泵连通，在水加热装置下部设置有加热管，水加热装置与土壤容器之间设置有带有第一密封圈的第一导热隔离板，土壤容器与排水箱之间设置有带有附有过滤土工布的铁丝网的第二导热隔离板，在土壤容器中分布有多个温度传感器。通过本装置可以进行渗流在水压力和媒介温度发生变化时的关系的实验。实验共分三个阶段进行，分别进行非饱和土壤的热传导实验、饱和土壤的渗流实验及饱和土壤的温度传导实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体力学、热力学中的渗流力学与温度变化相互关系等相关领域，具体涉一种及检测渗流与压力温度关系的实验装置及方法。
背景技术
土壤温度的变化、水压与渗流之间的关系，由法国水力学家H.-P.-G.达西在1852～1855年通过大量实验得出。其表达式为：
此定律只描述了渗流速度与水力坡降之间的关系。渗透系数是土壤材料的固有属性，其测定多通过实验来完成，渗透系数K是综合反映土体渗透能力的一个指标，其数值的正确确定对渗透计算有着非常重要的意义。影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，要建立计算渗透系数k的精确理论公式比较困难，通常可通过试验方法，包括实验室测定法和现场测定法或经验估算法来确定k值，但这些方法均有一定的局限性，且无专用的设备来进行检测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种专用设备，通过本设备，可检测压力、温度的变化对渗透系数的影响，本发明还提供了利用这种设备检测温度的变化对渗透系数的影响的方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种检测渗流与压力温度关系的实验装置，实验装置包括储水装置，储水装置与水加热装置连通，在水加热装置下部设置有加热管，水加热装置与土壤容器之间设置有带有密封圈的第一导热隔离板，土壤容器与排水箱之间设置有带有密封圈的第二导热隔离板，在土壤容器中分布有多个温度传感器。
所述的储水装置包括水槽，水槽通过加压水泵与水加热装置通过管路连通。
所述的第一导热隔离板采用导热尼龙制成。
所述的导热尼龙的导热系数为0.5-1.0W/(m·k)。
加压水泵与水加热装置的连通管路上安装有压力计。
加热装置及土壤容器内分别安装有温度计。
土壤容器内的温度传感器分层布置。
在储水装置的水槽中部、土壤容器左侧边缘，土壤容器底部边缘；土壤容器顶部边缘；排水箱处均安装有温度传感器；土壤容器上部也安装有温度传感器用于监测上部环境温度；土壤容器下部也安装有温度传感器用于监测下部环境温度。
水加热装置、土壤容器以及排水箱的高度相同。
利用上述装置检测渗流与压力温度关系的方法，包括以下步骤：
步骤一：在水加热装置里注满水，由于水加热装置与与土壤容器之间设置有带有密封圈的第一导热隔离板，水加热装置的温度就能很快且均匀地传递到土壤容器的土壤中，但水槽中的水不会渗透到土壤容器中；实验时，将水槽中水温度均匀升高N摄氏度，监测土壤容器中的温度数据并记录1组温度数据Tn；以后以N摄氏度为单位重复调整水加热装置中的水温进行多次试验,并记录温度升高值N和土壤容器中监测的温度系列Tn；
步骤二:移除水加热装置与土壤容器，以及土壤容器与排水箱之间第一导热隔离板以及第二导热隔离板上的密封圈，且保持水加热装置内和排水箱内相同的水位，因此时为饱和土壤，不会有渗流和温度传导发生，按第一步的要求改变水加热装置中的温度，利用温度传感器测试饱和土壤中温度传导情况；
步骤三：控制水加热装置内温度与压力情况保持不变，排出排水箱中的水，这样因为水头差，会引起渗流，因渗流引起热传导引起的温度变化及渗流量将被记录下来，按步骤一的要求不断调整水加热装置中水的温度并进行实验；调整水加热装置中的水位，或通过加压水泵调整水压，每次调整一定的水头，重复步骤二、三的实验，并记录数据；分析以上三步获取的数据，即可得到热量转移对渗流量的影响，以及它们之间的数量关系。
本发明提供的检测渗流与压力温度关系的实验装置为此类检测提供了一个完整的检测设备，设备结构简单，使用方便；利用本设备可以进行渗流在压力和土壤媒介温度发生变化时的关系的实验，通过上述所列步骤实验，可以完成两个目标：一是可以采集温度变化在土壤中传导、对流的数量关系，二是通过给定压力P、测定温度T、土壤容器中的温度序列Tn和渗流量Q，通过数字模拟方法分析它们之间的数值关系，并进行拟合，形成温度、压力、渗流之间的耦合关系。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
图1为本实验装置的结构示意图。
图2为图1的I－I、II－II区的部件接合面示意图。
图3为本发明附有过滤土工布的铁丝网结构示意图。
图4－6为本装置中温度传感器布置示意图。
图中，1、水槽，2、加压水泵，3、水加热装置，4、土壤容器，5、排水箱，6、加热管，7、第一导热隔离板，8、第二导热隔离板，9、压力计，10、温度计，11、温度传感器，12、密封圈，13、附有过滤土工布的铁丝网,14、螺钉，15螺钉,16、支架，17、水槽放水口，18、水加热装置放水口，19、排气口，20、土工布，B代表稳定地热源。
具体实施方式
本发明的结构如图1所示：一种检测渗流与压力温度关系的实验装置，储水装置，储水装置与水加热装置3连通，在水加热装置3下部设置有加热管6，水加热装置3与土壤容器4之间设置有带有密封圈12的第一导热隔离板7，密封圈12与第一导热隔离板7通过多个螺钉14连接，土壤容器4与排水箱5之间设置有带有附有过滤土工布的铁丝网13的第二导热隔离板8，附有过滤土工布的铁丝网13与第二导热隔离板8之间通过多个螺钉15连接，在土壤容器4中分布有多个温度传感器11，为保证实验更接近真实情况，构造稳定地热源，土壤容器4与大地用导热材料良好接触，以获取与大地同样的温度环境，即图1中的B部。
本发明的储水装置包括水槽1，水槽1通过加压水泵2与水加热装置3通过管路连通。
本装置的整体安放于支架16上，在水槽1的下部设置有水槽放水口17，在水加热装置3底部设置水加热装置放水口18，水加热装置上部设置有排气口19，以便于水气排出。
传感器分布：以下为本装置的一个传感器分布实例：如图4－6所示，(图中的编号代表传感器)，在实际检测中，传感器的分布详可根据需要进行调整。在整个装置中共布置38个温度传感器，监视不同区域的温度。其中布置在土壤容器4中31个，至下而上共布置6组，第1组距离容器底部5厘米，第2、3组在同一水平面，距离第一组垂直距离为15厘米，第4、5、6组垂直距离为10厘米，每组传感器在同一平面内布置间距为20厘米，且均匀分布。
布置在本实验装置其它位置的共有7个，(图4－6中未标出)分别是布置在水槽中，布置在容器左侧边缘，布置在容器底部边缘，布置在容器顶部边缘，布置在排水箱处，布置在容器上部监测上部环境温度，布置在容器下部监测下部环境温度。
本发明加工时，按照如图1所示进行加工，各部件使用螺丝连接，下部用支架16，将各部件固定。
在进行实验时，密封圈12上的螺钉14以及附有过滤土工布的铁丝网13上的螺钉15可旋开，并移走相应的密封圈。
通过本实验装置完成的实验步骤如下：
第一步：在水加热装置3里注满水，水加热装置与土壤容器4之间用第一导热隔离板7分隔开，这样水加热装置的温度就能很快且均匀地传递到土壤容器的土壤中，但水槽中的水不会渗透到土壤容器中。实验时，将水槽中水温度均匀升高2摄氏度，以模拟土壤中温度升高2摄氏度。以后以2摄氏度为单位重复调整加热装置中的水温进行多次试验，根据实际的要求，也可每次升高如1摄氏度、3摄氏度、4摄氏度等。
第二步：移除密封圈12，且保持水加热装置3内和排水箱5内相同的水位，因此时为饱和土壤，此时不会有渗流和温度传导发生，按第一步的要求改变水加热装置中的温度，测试饱和土壤中温度传导和对流情况。
第三步:水加热装置内情况保持不变，排出排水箱5中的水，这样因为水头差，会引起渗流，因渗流产生热传导引起的温度变化及渗流量将被记录下来，按第一步的要求不断调整水加热装置中水的温度并进行实验。调整水加热装置中的水位，或通过加压水泵2调整水压，每次调整0.5米或实验要求的其他数据的水头，重复第二步实验，并记录数据。
通过上述所列步骤实验，可以完成两个目标：一是可以采集温度变化在土壤中传导、对流的数量关系，二是通过给定压力P、测定水加热装置温度T、土壤容器中温度系列Tn和渗流量Q，通过数字模拟方法分析它们之间的数值关系。
分析三步获取的数据数字模拟方法是根据函数：(1)和(2)得到，其中公式(1)为热传导方程，公式(2)为渗流计算方程。
本发明中加压水泵2(最大水压达到10米水头水压)此部分装置可以直接用引水管从高水位的水槽或者水库引水。
承压水在水加热装置3中产生渗流，水压力和温度都可以精确控制。土壤体积大小为0.5*0.6*1米，使用渗透系数为10-4到10-5厘米/秒的粘土，温度传感器在土壤中编号，并按图4温度传感器布置图顺序埋设在土壤中以便监测温度，传感器第一行距离底部10厘米，第二行距离装置顶部20厘米，同一行中传感器之间间距为20厘米。
本发明的导热隔离板采用导热尼龙制成，选用的导热尼龙的导热系数为0.5-1.0W/(m·k)。
本发明在于加压水泵2与水加热装置3的连通管路上安装有压力计9，可实时监测管路上的水压力；在水加热装置3及土壤容器4内分别安装有温度计10，可实时监测水加热装置3及土壤容器4的温度。
Claims (8)
1.一种检测渗流与压力温度关系的实验装置，其特征在于：实验装置包括储水装置，储水装置与水加热装置(3)连通，在水加热装置(3)下部设置有加热管(6)，水加热装置(3)与土壤容器(4)之间设置有带有密封圈(12)的第一导热隔离板(7)，土壤容器(4)与排水箱(5)之间设置有带有附有过滤土工布的铁丝网(13)的第二导热隔离板(8)，在土壤容器(4)中分布有多个温度传感器(11)；
所述的储水装置包括水槽(1)，水槽(1)通过加压水泵(2)与水加热装置(3)通过管路连通；
所述的第一导热隔离板(7)采用导热尼龙制成。
2.根据权利要求1所述的检测渗流与压力温度关系的实验装置，其特征在于：所述的导热尼龙的导热系数为0.5-1.0W/(m·k)。
3.根据权利要求1所述的检测渗流与压力温度关系的实验装置，其特征在于：在于加压水泵(2)与水加热装置(3)的连通管路上安装有压力计(9)。
4.根据权利要求1所述的检测渗流与压力温度关系的实验装置，其特征在于：在水加热装置(3)及土壤容器(4)内分别安装有温度计(10)。
5.根据权利要求1所述的检测渗流与压力温度关系的实验装置，其特征在于：土壤容器(4)内的温度传感器(11)分层布置。
6.根据权利要求1所述的检测渗流与压力温度关系的实验装置，其特征在于：在储水装置的水槽中部、土壤容器左侧边缘、土壤容器底部边缘、土壤容器顶部边缘、排水箱处均安装有温度传感器；土壤容器上部也安装有温度传感器用于监测上部环境温度；土壤容器下部也安装有温度传感器用于监测下部环境温度，以确定稳定地热源。
7.根据权利要求1所述的检测渗流与压力温度关系的实验装置，其特征在于：水加热装置(3)、土壤容器(4)以及排水箱(5)的高度相同。
8.利用权利要求1－7任一所述的装置检测渗流与压力温度关系的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在水加热装置(3)里注满水，由于水加热装置与(3)与土壤容器(4)之间设置有带有密封圈的第一导热隔离板(7)，水加热装置的温度就能很快且均匀地传递到土壤容器的土壤中，但水槽中的水不会渗透到土壤容器中；实验时，将水加热装置中水温度均匀升高N摄氏度，以模拟土壤中温度升高N摄氏度；以后以N摄氏度为单位重复调整水加热装置中的水温进行多次试验；
步骤二:移除水加热装置(3)与土壤容器(4)之间的第一导热隔离板(7)上的密封圈(12)，且保持水加热装置(3)内和排水箱(5)内相同的水位，因此时为饱和土壤，不会有渗流和温度传导发生，按步骤一的要求改变水加热装置中的温度，利用温度传感器测试饱和土壤中温度传导情况；
步骤三：控制水加热装置(3)内的温度T和压力P保持不变，排出排水箱(5)中的水，这样因为水头差，会引起渗流，此时土壤容器中温度传感器的温度系列Tn,渗流量Q将被记录下来，按步骤一的要求不断调整水加热装置(3)中水的温度T进行实验；调整水加热装置(3)中的水位，或通过加压水泵(2)调整水压P，每次调整一定的水头，重复步骤二、三的实验，并记录渗流量Q,温度T,温度系列Tn,压力P；分析以上三步获取的数据，通过数值模拟方法即可得到压力、温度变化对渗流量的影响，以及它们之间的数量关系。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |