CN111504883A - 一种多孔介质渗透率的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种多孔介质渗透率的测量装置及测量方法，测量装置包括：计量驱动单元(1)，用于驱动液体流动并测量液体流量；样本测量单元(2)，包括多孔介质安装框架(21)、可视窗(22)、流体入口(23)、流体出口(24)、压力检测装置以及腔体(25)，其中，多孔介质设于多孔介质安装框架(21)的内底面，可视窗(22)密封多孔介质安装框架(21)的开口并与多孔介质形成腔体(25)，压力检测装置贯通多孔介质安装框架(21)的底面并与多孔介质接触，流体入口(23)与计量驱动单元连接用于使液体流入，流体出口(24)用于使液体流出；压力控制单元(5)，用于控制腔体(25)内部的压力。
Description
技术领域
本申请涉及热管技术领域，尤其涉及一种多孔介质渗透率的测量装置及测量方法。
背景技术
热管作为一种高效的传热器件，被广泛的应用在电子器件散热、空调、火电厂、航空航天、船舶等诸多领域。热管按照工作液体回流动力一般可分为有芯热管、重力热管(又称为两相闭式热虹吸管)、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等。有芯热管一般利用多孔介质的毛细压力提供动力。在逆重力形式下，毛细压力(ΔPc)克服多孔介质中的液相流动阻力(ΔP1)、通道中的汽相流动阻力(ΔPv)和重力(ΔPg)，从而使得液体可以源源不断的从冷凝段流向蒸发段。即：ΔPc≥ΔPl+ΔPv+ΔPg。当毛细压力不足以提供三者合力的时候，则达到毛细极限，热管蒸发段会发生干烧造成传热恶化。对热管中的毛细力、汽相阻力和液相阻力进行准确的定量计算是热管精确设计必不可少的步骤。数值仿真对于通道内单相计算比较准确，因此，汽相流动阻力可以通过数值仿真的方法进行计算。但对于多孔介质的流动阻力计算，数值仿真方法还很不成熟，所以一般用实验手段对多孔介质的流动阻力进行测量。多孔介质流动阻力的表达式，即根据Darcy定律为：ΔPf＝μmL/(ρAK)，其中，ΔPf为多孔介质流动方向两点之间流动阻力，μ为液体的动力粘度，m为质量流量(量纲kg/s)，L为流动方向两点之间多孔介质长度，A为流动横截面积，K为渗透率(量纲m2)。式中的渗透率K是与多孔介质的孔隙率、孔径大小等几何尺度有关，需要经过测量获得。
现有的多孔介质渗透率测量，常用强制流动方法，如图1所示，压力变化可通过沿程阻力测量装置测得(如毛细管液位计，或者灵敏的压力传感器)，流量可用量筒计量或者直接用泵设定流量。实际上，多孔介质的渗透率受具体工况下边界条件的影响，边界条件一般可分为除流动方向外四周封闭边界条件，如图2a(前后也封闭)，以及一侧或者多侧处于开口的情形，如图2b所示。如果多孔介质沿流动方向侧面有开口，那么用图1中的强制流动方法所测的值当成该情形下的渗透率会造成一定误差，因为一侧开口与四周封闭边界条件相比有两点不同：第一点是开口侧多孔介质表面的液体与外部汽相之间会形成弯月面，此时流动方向流动横截面积与封闭情形是不同的；第二点是开口侧不是无滑移边界条件。这两个因素造成封闭边界条件与开口情形渗透率有所差别。如果所测多孔介质足够厚，上述两个因素造成的误差相对较小，甚至这种误差可以忽略。如果多孔介质足够薄(厚度在0～5mm)，那么开口和封闭两种情形下渗透率差异巨大，此时不能用图1所示的强制流动法来测量。因为强制流动情况下流体会从多孔介质表面溢出，无法沿着流动方向形成压力梯度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种多孔介质渗透率的测量装置及测量方法，至少解决以上技术问题。
(二)技术方案
本申请的一方面，提供了一种多孔介质渗透率的测量装置，包括：计量驱动单元1，用于驱动液体流动并测量液体流量；样本测量单元2，包括多孔介质安装框架21、可视窗22、流体入口23、流体出口24、压力检测装置以及腔体25，其中，多孔介质设于多孔介质安装框架21的内底面，可视窗22密封多孔介质安装框架21的开口并与多孔介质形成腔体25，压力检测装置贯通多孔介质安装框架21的底面并与多孔介质接触，流体入口23与计量驱动单元连接用于使液体流入，流体出口24用于使液体流出；压力控制单元5，用于控制腔体25内部的压力。
可选地，压力检测装置包括多个压力传感器31，32，33，34，35，多个压力传感器31，32，33，34，35均匀分布于多孔介质安装框架21的底面。
可选地，计量驱动单元1包括计量泵，计量泵的精度大于等于0.001ml/min。
可选地，样本测量单元2与水平面的角度大于0。
可选地，样本测量单元2还包括接管26，接管26的一端与腔体25连接，另一端有两开口，压力控制单元5包括供气瓶51、U形管54、进气阀门52以及排气阀门53，供气瓶51通过一进气阀门52与接管26的一开口连接，U形管54的一端与接管26的另一开口连接且该端开口设有排气阀门53。
可选地，多个压力传感器的数量为2～10个。
可选地，压力传感器为毛细管或精度小于10Pa的压力传感器。
可选地，计量驱动单元1包括气瓶101、储液箱102、阀门103以及量筒7，其中，气瓶101与储液箱102连接，储液箱102通过阀门103与样本测量单元2的流体入口23连接，量筒7用于测量所述流体出口24处的体积流量。
本申请的另一方面，提供了一种基于上述多孔介质渗透率的测量装置的测量方法，包括：S1，对多孔介质渗透率的测量装置进行预处理，以排出多孔介质渗透率的测量装置中的空气；S2，将样本测量单元2倾斜预设角度，并向其输入液体，等待预设时间以使得到所述多个压力传感器达到稳定；S3，调大计量驱动单元1的流量以使液体漫过多孔介质；S4，调小计量驱动单元1的流量以使多个压力传感器的压力值相同；S5，逐渐减小计量驱动单元1的流量直至多个压力传感器的压力值不相同，记录此时的流量即为临界流量；S6，将临界流量代入渗透率公式即得多孔介质的渗透率，其中，渗透率K公式为：
其中，ρ为液体的密度，A为多孔介质液体流动方向面积，μ为液体的动力粘度，m为临界流量，θ为所述样本测量单元2倾斜角度。
可选地，步骤S1具体包括：将样本测量单元2水平放置，关闭进气阀门52，打开排气阀门53，使得液体充满所述多孔介质、接管26以及多个压力传感器，使得多个压力传感器的压力相等。
(三)有益效果
本公开提供了一种多孔介质渗透率的测量装置及测量方法，至少达到如下技术效果：
克服了强制流动方法不适用于一侧开口超薄多孔介质渗透率测量的缺陷，利用重力与流动阻力抵消的方法测量出了一侧开口超薄多孔介质的渗透率；
强制流动法测渗透率容易受到多孔介质与接触壁面间隙的影响，所测值比实际值更大，导致误差，重力法天然的克服了该缺点；
强制流动法只适合测除流动方向外四周壁面封闭的情形，而重力法普遍适用于各种情形，不论是有一侧或者多侧开口还是四周分布；
对于一侧开口考虑了内外压差影响，本申请考虑了开口情形下多孔介质渗透率受弯月面内外压差的影响，用腔体压力控制系统定量控制压差。
附图说明
图1示意性示出了传统的多孔介质渗透率的测量装置。
图2a示意性示出了多孔介质的边界条件为除流动方向外四周封闭边界条件的示意图；
图2b示意性示出了多孔介质的边界条件为一侧或者多侧处于开口边界条件的示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的多孔介质渗透率的测量装置的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开又一实施例的多孔介质渗透率的测量装置的结构示意图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的多孔介质渗透率的测量装置的测量方法的步骤图。
具体实施方式
本申请基于重力法原理，提出了一种运用一套装备完成一侧开口情况下超薄多孔介质的渗透率的测量方法与装置，多孔介质爱的厚度在0～5mm范围，并且流动方向边界一侧或多侧开口情形，该多孔介质结构无法用常见的强制流动法测量。同时本申请提出的多孔介质的测量装置同样适用于测量除流动边界封闭的超薄多孔介质，因此本申请中的方法的适用范围更广。
本申请提供了一种多孔介质渗透率的测量装置，包括计量驱动单元1、样本测量单元2以及压力控制单元5，其中：计量驱动单元1，用于驱动液体流动并测量液体流量；样本测量单元2，包括多孔介质安装框架21、可视窗22、流体入口23、流体出口24、压力检测装置以及腔体25，其中，多孔介质设于多孔介质安装框架21的内底面，可视窗22密封多孔介质安装框架21的开口并与多孔介质形成腔体25，压力检测装置贯通多孔介质安装框架21的底面并与多孔介质接触，流体入口23与计量驱动单元连接用于使液体流入，流体出口24用于使液体流出；压力控制单元5，用于控制腔体25内部的压力。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本申请中的计量驱动单元1，用于驱动液体流动并测量液体流量。如图3所示，该计量驱动单元1可以为高精度计量泵，该计量泵的精度应大于等于0.001ml/min。
样本测量单元2，包括多孔介质安装框架21、可视窗22、流体入口23、流体出口24、压力检测装置以及腔体25。其中，多孔介质安装框架21可以用不锈钢或者铝合金等结构较高且不易腐蚀的材料制作。可视窗22可以采用玻璃或有机玻璃制作。多孔介质设于多孔介质安装框架21的内底面，可视窗22密封多孔介质安装框架21的开口并与多孔介质形成腔体25，压力检测装置贯通多孔介质安装框架21的底面并与多孔介质接触，流体入口23与计量驱动单元连接用于使液体流入，流体出口24用于使液体流出。该样本测量单元2除了进出口连接管外整个腔体与外界密封。样本测量单元2与水平面的角度可以调节，正常工作时样本测量单元2与水平面的角度大于0。压力检测装置可以为多个压力传感器31,32,33,34,35，如2～10个，本公开实施例采用五个，该压力传感器可以用毛细管或其他高精度传感器(精度小于10Pa)，安装于多孔介质安装框架21的底面，接口处于多孔介质的底部。
多孔介质4紧贴多孔介质安装框架21的内底表面。本申请中所测多孔介质4一般指金属丝网(铜、不锈钢等金属丝网，线经0.01～1mm，目数50～600目范围)、金属或陶瓷烧结粉末、微槽结构(微槽宽度0～1mm)，这些多孔介质4与多孔介质安装框架21的内底表面紧密结合，也可以焊接在多孔介质安装框架21的内底表面。
上述样本测量单元还可以包括接管26，该接管26的一端与腔体25连接，另一端有两开口，用于与压力控制单元5连接。
压力控制单元5包括供气瓶51、U形管54、进气阀门52以及排气阀门53。供气瓶51通过一进气阀门52与接管26的一开口连接。U形管54的一端与接管26的另一开口连接且该端开口设有排气阀门53，正常情况下U形管54的内部充有液体。该压力控制单元5可以控制腔体25与外界之间的压差。
本申请测量多孔介质渗透率的原理如下：
假设多孔介质4的宽度为W，厚度为d，上表面开放，倾斜放置与水平面的夹角为θ，流体沿多孔介质流下，如果达到平衡状态，考虑有流动阻力损失的伯努利方程：
其中，1点为多孔介质中比2点高的点，ΔPf为1点和2点之间的流动阻力损失。
由于是稳定流动，所以惯性项(v2/2g)相互抵消。如果流量使得两点的压力相等，则重力项产生的压差则刚好被流动阻力所抵消。即满足：
又因为多孔介质的倾斜角度为θ，所以可得：
z1-z2＝L sinθ
其中，L是1点和2点两点之间的长度，结合渗透率的定义可得：
当测得特定角度θ下的质量流量m后，所有的未知参量均为已知，即可直接计算出渗透率，但还需说明的是，流动达到平衡并且各点压力相等的流量是很多的，这里需要测量得到的是一个临界流量值。此外，由于上表面是开口的，所以超薄多孔介质的渗透率受腔体内部和液体内部压差的影响，压差越大，渗透率越小，所以需要控制腔体内部压力，这也是为什么要保持腔体内部与外界密封的原因。
另外，本申请中的计量驱动单元1，如图4所示，还可以为气瓶101、储液箱102、阀门103以及量筒7，其中，气瓶101与储液箱102连接，储液箱102通过阀门103与样本测量单元2的流体入口23连接，量筒7用于测量流体出口24处的体积流量。
另一方面，本公开还提供了一种多孔介质渗透率的测量装置的测量方法，如图5所示，包括：
S1，对多孔介质渗透率的测量装置进行预处理，以排出多孔介质渗透率的测量装置中的空气。
具体的，将样本测量单元2水平放置，关闭进气阀门52，打开排气阀门53，使得液体充满多孔介质、接管26以及多个压力传感器，使得多个压力传感器的压力相等。如果所有气体排除干净可以看到五个传感器压力相等。
S2，将样本测量单元2倾斜预设角度，并向其输入液体，等待预设时间以使得到多个压力传感器达到稳定。
调整样本测量单元2到一定倾斜预设角度，此时可以观测到五个压力传感器的压力从相同变得不一样，越往底部传感器所测的压力会越大，即从传感器31到35逐渐增大，但处于不稳定状态，等到足够长时间，5个传感器压力达到稳定状态，会形成阶梯分布，此时多孔介质上所测任意两点之间的压力差正好是高度值的负值，即P1-P2＝ρg(z2-z1)，这是多孔介质的毛细效应所导致的。
S3，调大计量驱动单元1的流量以使液体漫过多孔介质。
步骤S2中可以不用等到各个传感器压力达到平衡才开始测量渗透率，可直接开始测量，启动流量泵，先设定一个较大的流量，此时可以观测到流体从入口会溢出，漫过多孔介质。
S4，调小计量驱动单元1的流量以使多个压力传感器的压力值相同。
调小流量使得液体稍稍溢出漫过多孔介质，等待一段时间达到稳定状态，观测传感器压力，可以发现五个传感器所测压力相等。
S5，逐渐减小计量驱动单元1的流量直至多个压力传感器的压力值不相同，记录此时的流量即为临界流量。
逐渐减小泵流量，观测液位变化，可以发现随着流量减小到多孔介质表面无溢出，五个传感器压力没有变化，接着减小流量，会发现位置高的压力传感器压力减小，相对位置低的传感器压力更大，将发生转变时的流量计为临界流量，记录此时的流量值。这就是当前倾斜角下所要侧的流量值。
S6，将临界流量代入渗透率公式即得多孔介质的渗透率，其中，渗透率K公式为：
其中，ρ为液体的密度，A为多孔介质液体流动方向面积，μ为液体动力粘度，m为临界流量，θ为样本测量单元2倾斜角度。
将当前倾斜角和所测流量值代入
即可求得该多孔介质一侧开口情形下的渗透率。
对于所测的多孔介质厚度在0～5mm时，可测量单位横截面积上体积流量范围处于0～0.1m3/m2·s。
除多孔介质外，本申请亦可用于微槽道内工质渗透率的测量或多孔介质毛细力的测量。
综上所述，本申请中的多孔介质渗透率的测量装置克服了强制流动方法不适用于一侧开口超薄多孔介质渗透率测量的缺陷，利用重力与流动阻力抵消的方法测量出了一侧开口超薄多孔介质的渗透率；强制流动法测渗透率容易受到多孔介质与接触壁面间隙的影响，所测值比实际值更大，导致误差，重力法天然的克服了该缺点；强制流动法只适合测除流动方向外四周壁面封闭的情形，而重力法普遍适用于各种情形，不论是有一侧或者多侧开口还是四周分布；对于一侧开口考虑了内外压差影响，本申请考虑了开口情形下多孔介质渗透率受弯月面内外压差的影响，用腔体压力控制系统定量控制压差。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多孔介质渗透率的测量装置，包括：
计量驱动单元(1)，用于驱动液体流动并测量液体流量；
样本测量单元(2)，包括多孔介质安装框架(21)、可视窗(22)、流体入口(23)、流体出口(24)、压力检测装置以及腔体(25)，其中，多孔介质设于所述多孔介质安装框架(21)的内底面，可视窗(22)密封所述多孔介质安装框架(21)的开口并与所述多孔介质形成腔体(25)，压力检测装置贯通所述多孔介质安装框架(21)的底面并与所述多孔介质接触，流体入口(23)与所述计量驱动单元连接用于使液体流入，流体出口(24)用于使液体流出；
压力控制单元(5)，用于控制所述腔体(25)内部的压力。
2.根据权利要求1所述的测量装置，所述压力检测装置包括多个压力传感器(31,32,33,34,35)，所述多个压力传感器(31,32,33,34,35)均匀分布于所述多孔介质安装框架(21)的底面。
3.根据权利要求1所述的测量装置，所述计量驱动单元(1)包括计量泵，所述计量泵的精度大于等于0.001ml/min。
4.根据权利要求1所述的测量装置，所述样本测量单元(2)与水平面的角度大于0。
5.根据权利要求1所述的测量装置，所述样本测量单元(2)还包括接管(26)，所述接管(26)的一端与所述腔体(25)连接，另一端有两开口，所述压力控制单元(5)包括供气瓶(51)、U形管(54)、进气阀门(52)以及排气阀门(53)，所述供气瓶(51)通过一进气阀门(52)与所述接管(26)的一开口连接，所述U形管(54)的一端与所述接管(26)的另一开口连接且该端开口设有所述排气阀门(53)。
6.根据权利要求2所述的测量装置，所述多个压力传感器的数量为2～10个。
7.根据权利要求2或6所述的测量装置，所述压力传感器为毛细管或精度小于10Pa的压力传感器。
8.根据权利要求1所述的测量装置，所述计量驱动单元(1)包括气瓶(101)、储液箱(102)、阀门(103)以及量筒(7)，其中，气瓶(101)与储液箱(102)连接，所述储液箱(102)通过所述阀门(103)与所述样本测量单元(2)的流体入口(23)连接，所述量筒(7)用于测量所述流体出口(24)处的体积流量。
9.一种基于上述权利要求1～8任意一项所述的多孔介质渗透率的测量装置的测量方法，包括：
S1，对所述多孔介质渗透率的测量装置进行预处理，以排出所述多孔介质渗透率的测量装置中的空气；
S2，将所述样本测量单元(2)倾斜预设角度，并向其输入液体，等待预设时间以使得到所述多个压力传感器达到稳定；
S3，调大所述计量驱动单元(1)的流量以使液体漫过所述多孔介质；
S4，调小所述计量驱动单元(1)的流量以使所述多个压力传感器的压力值相同；
S5，逐渐减小所述计量驱动单元(1)的流量直至所述多个压力传感器的压力值不相同，记录此时的流量即为临界流量；
S6，将所述临界流量代入渗透率公式即得所述多孔介质的渗透率，其中，所述渗透率K公式为：
其中，ρ为所述液体的密度，A为所述多孔介质液体流动方向横截面积，μ为所述液体的动力粘度，m为所述临界流量，θ为所述样本测量单元(2)倾斜角度。
10.根据权利要求9所述的方法，所述步骤S1具体包括：
将所述样本测量单元(2)水平放置，关闭所述进气阀门(52)，打开所述排气阀门(53)，使得液体充满所述多孔介质、接管(26)以及所述多个压力传感器，使得所述多个压力传感器的压力相等。
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