CN213580585U - 测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验装置，涉及土工试验技术。本实用新型是：试样筒模块（10）的顶端、测量模块（20）、水流导管（70）、封闭式水箱（40）、供水模块（30）和试样筒模块（10）的底端依次连通形成一个闭合环路；试样筒模块（10）、控制主板（50）和计算机终端（60）依次连接，实现对试样（16）的采集、存储和处理；计算机终端（60）和供水模块（30）连接，实现对供水模块（30）控制。本实用新型能够通过伺服回路实现流速的精确控制，通过控制主板长时间稳定、精确、高效地实时采集压力计、温度计和流量计的测量数据并进行处理，得到多种工况下孔隙介质的与渗透加速度相关的拖曳力系数a、b、c。

Description

测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验装置

技术领域

本实用新型涉及土工试验技术，尤其涉及一种测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验装置。

背景技术

孔隙介质是一种在自然界广泛分布的、由颗粒骨架和孔隙所组成的材料。我们生活中的方方面面都与孔隙介质密切相关，例如土木工程中的地基、海洋工程中的海床等。正是由于其内部存在大量孔隙，液体流过该材料时会出现一定的渗流特征。因此，研究孔隙介质内的渗流特征具有重要的意义。

专利CN206177778U《一种研究多孔介质全区域渗流机制的渗透装置》用于研究多孔介质材料的渗流机制以及各渗流区域的划分。但是该发明在实验过程中会耗费大量水资源，并且需要人工不断地倒水测量流量，且流量取的是一段时间内的平均值，存在较大的误差；其次，实验过程中没有测量试样筒出水口和进水口的温度，求得的渗透系数没有进行温度校正；该发明所能测得的只是筒壁上测压口两点之间的压差。

专利CN206161492U《一种可实现变水压力作用的渗透装置》提出了一种研究变水压力作用下多孔介质渗透特性的试验装置。该装置实现变水压力的方式是通过变频器、PLC控制柜控制电压的周期性变化使水泵的叶轮转速实现周期性变化，但是所述水泵(叶轮泵)仅能在极小的速度区间内保证水泵出口流量与叶轮转速呈线性关系。在大多数情况下，叶轮泵的转速与水泵出口流量之间存在高度非线性的关系，且这一非线性关系无法用公式明确表达。因此，该装置可以实现一段时间内出口流量的恒定，但并不能做到渗透水流的周期性波动。其次，该装置只能通过手动调节球阀的方式来改变进入试样的流速或流量，需要多次人工操作才能达到试验预期的流量。

此外，上述两种设备在试样两端是采用砾石或玻璃珠来引导水流，这种方法无法保证进入试样的水流是层流，会使得测量数据出现较大的误差。因此，需要采用新的方法来引导水流，以避免进入试样的水流为湍流。

目前，对于孔隙介质渗透在考虑高速非线性渗流的情况下，水力梯度i与渗流速度u的关系在数学上可以表示为

其中，系数a当前可采用常水头或变水头方法进行测定。系数b是用于描述非线性渗流的重要参数之一，目前虽然可以测得但尚没有全自动且高效的测量设备。但要想精确测得系数c，则必须能够在渗透试验过程中能够制造出周期性的振荡渗透水流，并且能够极为容易地测量其每一时刻的加速度值

正是由于现有设备无法精确控制渗透水流的流速变化，从而在试验过程中不能制造出周期性的振荡渗透水流，导致渗透水流的加速度项

也就根本无法测出，因此目前国际上根本没有相关设备可以测得水流渗透的拖曳力系数c的值。当前国际上学术界基本都采用一个经验值0.34作为系数c的估计值。目前针对系数c的这一估计值是否合理，系数c是一个常值还是变化值，不同种类的孔隙介质是否具有差异较大的c值等一系列的问题均无法准确回答。因此，需要研制一款可以精确控制水流流速及水流波动的渗透装置，来对孔隙介质的渗透拖曳力系数a、b、c进行精准而高效地测定，从而解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的缺点和不足，提供一种测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

在上述两种设备的基础上，设置了伺服电机、伺服电机控制器、齿轮泵、流量计、控制主板所构成的伺服回路。该伺服回路能够精确地控制伺服电机转速，继而控制齿轮泵，使其在毫秒级精确控制出口流量，产生任意周期的振荡水流。当流量或水流波形未到达预定值时，流量计会给控制主板提供反馈，通过伺服回路控制齿轮泵转速的提高或降低，直至达到预期流量或预期波形。当流量较大或较小时，同样可通过伺服回路控制各电磁阀的开闭，以选用合适量程的流量计进行数据的测量与采集。各个流量计还可以进行组合，以扩大量程到所需的范围。试样的水流出入口设置了自制的导流格栅板，来保证进入试样的水流为层流。本装置中设置的控制主板能够对试验全程的流量、温度、压力数据进行实时采集，从而能够在后处理程序中得到孔隙介质在波动水流作用下渗透拖曳力系数a、b、c的精确值。

具体地说：

一、测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验装置(简称试验装置)

由试样筒模块、测量模块、供水模块、封闭式水箱、控制主板、计算机终端和水流导管组成；

所述的测量模块包括流量计、温度计、压力计和电磁阀；

流量计位于试样筒主体进水口之前，三个流量计前后均设有电磁阀，2个温度计分别位于试样筒模块的进水口和出水口，3个压力计分别与对应的3个测压口平齐；

其位置和连接关系是：试样筒模块的顶端的出水口、水流导管、封闭式水箱、供水模块和测量模块的三个流量计和试样筒模块的底端的进水口依次连通形成一个闭合环路；

试样筒模块、控制主板和计算机终端依次连接，实现对试样的采集、存储和处理；

计算机终端和供水模块连接，实现对供水模块控制。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

①采用伺服电机控制齿轮泵，运行精确、高效，不会出现普通叶轮泵常有的流量或流速不稳现象，因此能够得到各种预设的波动水流(如流速周期性变化的水流，流速逐级增加或逐级减少的水流，三角波形、梯形波形的水流，正弦、余弦波形的水流等)。同时，采用的伺服系统能够实现渗透流速的周期性波动，根据采集到的流速随时间的变化曲线可以得到试验中各个时刻渗透水流的加速度值，进而可以求得孔隙介质的与渗透加速度相关的拖曳力系数c。这是国际上首次解决了孔隙介质的与渗透加速度相关的渗透拖曳力系数c的测量问题；

②采用了控制主板全程实时采集数据，可实现即时的数据交换和反馈，例如根据流量计反馈的数据进行伺服控制，改变齿轮泵的转速，从而增大或减小水流流速；

③采用了多个量程不同的流量计，可根据采集到的流量数据自动调整各个电磁阀的开闭，从而选择量程最为合适的流量计；此外，本装置还可以同时开启多个电磁阀，即同时采用多个流量计来扩大流量计的量程，使试验数据采集更全面、更智能、更精确；

④采用了如附图3所示的导流格栅板来引导水流，避免了玻璃珠、砾石对入口处水流的扰动，保证进入试样的水流为层流，从而使采集到的数据更加准确可靠；

⑤计算机终端可由自主编写的后处理程序进行数据处理工作，并得到试验所需结果及图像；

⑥采用了封闭式水箱，减少了外界温度对试验用水的影响，保证试验过程温度的稳定，且试验用水可循环利用，能够节约大量水资源；

⑦试样筒内层为有机玻璃，外层为金属筒体；外层的金属筒体可对内层起到约束作用，防止内层有机玻璃在试验中出现变形，造成接缝处漏水等问题；外层的金属筒体上设有视窗，材料采用钢化玻璃，表面设置有刻度，便于装样；

⑧整个试验过程高度智能化和自动化。

总之，本实用新型能够通过伺服回路实现流速的精确控制，通过控制主板长时间稳定、精确、高效地实时采集压力计、温度计和流量计的测量数据并进行处理，得到多种工况下孔隙介质的与渗透加速度相关的拖曳力系数a,b

尤其是目前已有装置所无法测得的孔隙介质的拖曳力系数 c。本装置不仅实现了水的循环利用，可节约大量水资源，还极大地节约了人工成本，实现了试验的自动化和智能化；此外，本装置能够实现高精度测量，所得数据可信度高，可统一标准、工业化组装或生产。

附图说明

图1是本试验装置的结构示意图；

图2是试样筒模块10的结构示意图；

图3-1是上导流格栅板14-1、下导流格栅板14-2的结构俯视图；

图3-2是上导流格栅板14-1、下导流格栅板14-2的结构立体图；

图4是测压导管17的结构示意图；

图5是封闭式水箱40的结构示意图；

图6-1是本装置可实现的水流流速/流量逐级增加或减少的示意图；

图6-2是本装置可实现的三角波形水流示意图；

图6-3是本装置可实现的梯形波形水流示意图；

图6-4是本装置可实现的正弦、余弦波形水流示意图。

图中：

10—试样筒模块，

11—试样筒上盖，

12—试样筒主体，

12-0—试样筒，12-1—钢化玻璃视窗，12-2—测压口，

12-3—穿孔，12-4—排气孔，12-5—排气螺钉，

13—试样筒下底盖，

14-1—上导流格栅板，14-2—下导流格栅板，以保证进入试样的水流为层流，

15-1—上滤网，15-2—下滤网，

16—试样，

17—测压导管，

17-1—测压孔，

18—螺栓，

19-1、19-2—上、下密封圈；

20—测量模块；

21—流量计，22—温度计，23—压力计，24-电磁阀；

30—供水模块，

31—伺服电机，32—伺服电机控制器，33—能够在毫米级精确控制流速或流量的齿轮泵；

40—封闭式水箱，

41—水箱箱体，42—水箱出水孔，43—水箱注水/排水孔，44—水箱进水孔，45—水箱排气孔，46—水箱排气/排水螺钉；

50—控制主板；

60—计算机终端；

70—水流导管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明

一、试验装置

1、总体

如图1，本试验装置由试样筒模块10、测量模块20、供水模块30、封闭式水箱40、控制主板50、计算机终端60和水流导管70组成；

所述的测量模块20包括流量计21、温度计22、压力计23和电磁阀24；流量计21位于试样筒主体12进水口之前，三个流量计21前后均设有电磁阀24， 2个温度计22分别位于试样筒模块10的进水口和出水口，3个压力计23分别与对应的3个测压口12-2平齐；

其位置和连接关系是：试样筒模块10的顶端出水口、水流导管70、封闭式水箱40、供水模块30、测量模块20的三个流量计21和试样筒模块10的底端进水口依次连通形成一个闭合环路；

试样筒模块10、控制主板50和计算机终端60依次连接，实现对试样16的采集、存储和处理；

计算机终端60和供水模块30连接，实现对供水模块30控制。

2、功能部分

1)试样筒模块10

如图2，试样筒模块10包括试样筒上盖11、试样筒主体12、试样筒下底盖 13、上导流格栅板14-1、下导流格栅板14-2、上滤网15-1、下滤网15-2、试样 16、测压导管17、螺栓18、上密封圈19-1和下密封圈19-2；

其位置和连接关系是：

按上中下顺序，试样筒上盖11、上密封圈19-1、试样筒主体12、下密封圈 19-2和试样筒下底盖13通过螺栓18依次连接成一个整体；

在试样筒主体12中，从上到下，依次设置有上导流格栅板14-1、上滤网15-1、试样16、下滤网15-2和下导流格栅板14-2；

在试样16内设置有测压导管17。

(1)试样筒上盖11

试样筒上盖11呈倒漏斗形，下端设置有法兰并均布有4个穿孔，与试样筒主体12的上法兰适配。

(2)试样筒主体12

试样筒主体12包括试样筒12-0、钢化玻璃视窗12-1、测压口12-2、螺纹穿孔12-3、排气孔12-4和排气螺钉12-5；

其位置和连接关系是：

在试样筒12-0上下的法兰分别均布有4个带螺纹的穿孔；

在试样筒12-0的一侧设置有3个“测压口”12-2，距离试样筒12-0底部的高度分别为75mm、175mm、275mm；

在侧压口12-2的上端设置有排气孔12-4及其排气螺钉12-5；排气孔12-4 的内径2mm，带有螺纹，用于在装样过程中排空气；排气螺钉12-5带有螺纹，用于拧紧排气孔12-4。

A、试样筒12-0

试样筒12-0是一种圆筒，内层为有机玻璃试样筒12-0-1，外层为金属筒体 12-0-2，高度350mm，内径95mm，其上下分别设置有法兰，分别与试样筒上盖 11和试样筒下底盖13适配；

B、钢化玻璃视窗12-1

采用钢化玻璃，表面设置有刻度，方便装样；

C、测压口12-2

直径6～8mm，距离试样筒12-0底部的高度分别为75mm、175mm、275mm；

D、螺纹穿孔12-3

在试样筒12-1上下的圆形端面上分别均设有4个带螺纹的穿孔；

E、排气孔12-4

设置在测压口12-2上端，内径2mm，带有螺纹，用于在装样过程中排空气；

F、排气螺钉12-5

设置3个，带有螺纹，用于拧紧排气孔12-4。

(3)试样筒下底盖13

试样筒下底盖13呈漏斗形，上端设置有法兰并均布有4个穿孔，与试样筒主体12的下法兰适配。

(4)上导流格栅板14-1、下导流格栅板14-2

如图3-1、3-2，上导流格栅板14-1、下导流格栅板14-2为一种自主设计的方孔束状、外边缘切割为圆形的塑料块体。

(5)上滤网15-1、下滤网15-2

上滤网15-1、下滤网15-2的功能是过滤试样16，使水自由通过。

(6)试样16

(7)测压导管17

如图4，测压导管17为一种一端闭合、一端开口的金属圆管，在圆管上设置有测压孔17-1，使水进入管内，将测压导管17开口的一端插入测压口12-2 内。

(8)螺栓18

螺栓18设置有8套，由螺钉和螺帽组成，用来固定试样筒上盖11、试样筒主体12和试样筒下底盖13。

(9)上密封圈19-1、下密封圈19-2

密封试样筒模块10，避免出现漏水现象。

2)测量模块20

如图1，测量模块20包括流量计21、温度计22、压力计23和电磁阀24；

流量计21位于试样筒主体12进水口之前，三个流量计前后均设有电磁阀 24，2个温度计22分别位于试样筒模块10的进水口和出水口，3个压力计23 分别与对应的3个测压口12-2平齐。

(1)流量计21：设置3个，位于试样筒主体12进水口一侧的，可实时测量水流量，并将测量数据传至控制主板50；

(2)温度计22：设置2个，分别位于试样筒模块10进水口和出水口，量程为0-50℃；

(3)压力计23：设置3个，分别与对应的测压口12-2平齐，其功能是将水压力信号转化成电信号，继而被控制主板50采集；

(4)电磁阀24：设置6个，每个流量计前后各一个，在控制主板的指令下进行开启或关闭。

3)供水模块30

如图1，供水模块30包括伺服电机31、伺服电机控制器32和齿轮泵33；

电机控制软件62、伺服电机控制器32、伺服电机31、齿轮泵33和试样筒模块10依次连接。

(1)伺服电机31：精确控制齿轮泵33的转速，从而实现周期性振荡的水流；

(2)伺服电机控制器32：对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位；

(3)齿轮泵33：流量可精确到毫米级的齿轮泵，通过伺服电机31来控制其从封闭式水箱抽水，经过多次伺服调整来达到试验所需的渗流流量。

4)封闭式水箱40

如图5，封闭式水箱40包括水箱箱体41、水箱出水孔42、水箱注水/排水孔43、水箱进水孔44、水箱排气孔45和水箱排气/排水螺钉46；

在水箱箱体41的上面设置有水箱排气孔45及其水箱排气/排水螺钉46，在水箱箱体41的右侧壁设置有水箱注水/排水孔43和水箱进水孔44，在水箱箱体 41的左侧壁设置有水箱出水孔42。

(1)水箱箱体41

为不锈钢水箱，长×宽×高＝0.5m×0.5m×0.5m，为试验供水；

(2)水箱出水孔42

设置在水箱箱体41左侧靠下位置；

(3)水箱注水/排水孔43

设置在水箱箱体41右侧靠下位置，连接自来水管；

(4)水箱进水孔44

用于连接水流导管70；

(5)水箱排气孔45和水箱排气/排水螺钉46

水箱排气孔45带螺纹，两者用于排出封闭式水箱40内的空气。

5)控制主板50

如图1，控制主板50内嵌有自主编写的程序，控制主板50的输入端分别与流量计21、温度计22和压力计23连接，根据采集到的流量计21数据对伺服电机控制器32进行伺服控制，控制主板50的输出端和计算机终端60连接。

6)计算机终端60

计算机终端60内嵌有自主编写的数据后处理软件61；

(1)数据后处理软件61

数据后处理软件61的工作流程是：

a.预先输入试样参数A、h、m、ω；

b.加载压力计、温度计和流量计测量数据；

c.根据自主编写的程序计算i、u、e、K_T、a、b、c；

d.结束；

式中：

A为试样断面积，h为试样高度，m为风干试样总质量，ω为风干含水率， i为水力坡降，u为tn时刻通过试样水的流速，e为试样孔隙比，

K_T为t_n时刻水温T℃时试样的渗透系数，a、b、c为拖曳力系数。

(1)

ΔP_n为t_n时刻上、中孔压计压差与中、下压孔计压差的平均值，

ρ_ω为水密度，g为重力加速度，L为两测压口中心间的试样高度。

(2)

ΔQ_n为时间Δt_n时刻内流量计测量数据；

(3)

G_s为土粒比重，ρ_d为试样干密度，m_d为试样干质量；

(4)

K_T为t_n时刻水温T℃时试样的渗透系数，T为t_n时刻试样筒进出口温度计测量温度的平均值，ΔQ_n为时间Δt_n时刻内流量计测量数据，L两测压口中心间的试样高度，H为平均水位差，K₂₀为标准温度(20℃)时试样的渗透系数，η_T为T℃时水的动力粘滞系数，η₂₀为20℃时水的动力粘滞系数；

(5)

计算a、b、c

通过绘制不同时刻t_n的i与u，u与t的关系图像，得到拖曳力系数a、b、 c。

7)水流导管70

采用铜制导管，外径20mm，内径16mm。

3、本实用新型的工作机理

安装试样16，排出系统内空气后，通过计算机终端60输入指令，开始试验；试验过程中，通过伺服电机控制器32，控制伺服电机31，继而控制齿轮泵33，调节转速，加大或减少供水量，以达到指令需要的流量，同时实现水流的周期性波动；试验过程中控制主板50实时采集并储存流量计21、温度计22和压力计23的测量数据，当未达到预期流量值时，控制主板50会利用采集到的流量信息对伺服电机进行反馈，从而精确控制齿轮泵转速，使试样16的入口流量达到预期要求；同时，控制主板50还会通过伺服回路自动控制各个电磁阀的开闭以选定量程最佳的流量计，最终利用计算机终端60的程序计算相关系数，获得结果和参数之间的关系，并绘制相关图形。

二、测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验方法(简称试验方法)

本方法包括下列步骤：

①安装试验装置

将试样筒模块10、电磁阀24、流量计21、温度计22、封闭式水箱40、齿轮泵33用水流导管70连接成一个循环系统，拧开排气螺钉12-5，打开排气孔12-4，给水箱体41供水，装满封闭式水箱后，停止供水，检查各种管线是否接好；

②安装试样

将试样筒上盖11和试样筒主体12分开，从下到上，依次放入下导流格栅板 14-2、下滤网15-2、试样16、上滤网15-1和上导流格栅板14-1；试样16分层装载，用木锤轻轻击实，以控制其孔隙比；每层装好后，打开齿轮泵33，使水从试样筒主体12下端进水口进入试样筒12-0，使试样16逐渐饱和；在侧压孔 12-2平齐的地方埋设测压导管17，测压导管17一端插入测压口12-2，饱和时使水没过测压导管17，待测压导管17的空气从排气孔12-4排出，此时拧紧排气螺钉12-5；试样16装载到固定装样高度后，上面再放入上滤网15-1和上导流格栅板14-1，最后将试样筒上盖11盖上，拧紧螺栓18，试样安装完成后，关闭齿轮泵33；

③排空气

打开齿轮泵33，慢慢使水进入到循环系统内，将系统内的空气排至水箱体 41，由水箱排气孔45排出，同时由水箱进水孔44给水箱体41供水，待水从水箱排气孔45慢慢溢出时，拧上水箱排气螺钉46，关闭水箱排气孔45，关掉齿轮泵33。

④开始试验并存储数据

开始试验，在计算机终端60设定好相关试验指标，由计算机发出指令，通过伺服电机31不断调整齿轮泵33的水量供应，改变试样16中水的流速，此过程中测量模块20中的测量数据实时被采集并存储。

⑤试验后处理

通过计算机终端60获得结果和参数之间的关系，包括得出渗透系数、试样孔隙比、拖曳力系数、水力梯度、渗透系数和试样孔隙比的关系、渗透系数和流速的关系、水力梯度与流速之间的关系，并绘制图像。

Claims (1)

1.一种测量波动水流渗透拖曳力系数的全自动试验装置，由试样筒模块（10）、测量模块（20）、供水模块（30）、封闭式水箱（40）、控制主板（50）、计算机终端（60）和水流导管（70）组成；

其位置和连接关系是：

试样筒模块（10）的顶端、水流导管（70）、封闭式水箱（40）、供水模块（30）、测量模块（20）和试样筒模块（10）的底端依次连通形成一个闭合环路；

试样筒模块（10）、控制主板（50）和计算机终端（60）依次连接，实现对试样（16）的采集、存储和处理；

计算机终端（60）和供水模块（30）连接，实现对供水模块（30）控制；

其特征在于：

所述的试样筒模块（10）包括试样筒上盖（11）、试样筒主体（12）、试样筒下底盖（13）、上导流格栅板（14-1）、下导流格栅板（14-2）、上滤网（15-1）、下滤网（15-2）、试样（16）、测压导管（17）、螺栓（18）、上密封圈（19-1）和下密封圈（19-2）；

其位置和连接关系是：

按上中下顺序，试样筒上盖（11）、上密封圈（19-1）、试样筒主体（12）、下密封圈（19-2）和试样筒下底盖（13）通过螺栓（18）依次连接成一个整体；

在试样筒主体（12）中，从上到下，依次设置有上导流格栅板（14-1）、上滤网（15-1）、试样（16）、下滤网（15-2）和下导流格栅板（14-2）；

在试样（16）内设置有测压导管（17）；

试样筒上盖（11）呈倒漏斗形，下端设置有法兰并均布有4个穿孔，与试样筒主体（12）的上法兰适配；

试样筒主体（12）包括试样筒（12-0）、钢化玻璃视窗（12-1）、测压口（12-2）、螺纹穿孔（12-3）、排气孔（12-4）和排气螺钉（12-5）；在试样筒（12-0）上下的法兰分别均布有4个带螺纹的穿孔；在试样筒（12-0）的一侧设置有3个测压口（12-2），距离试样筒（12-0）底部的高度分别为75mm、175mm、275mm；在测压口（12-2）的上端设置有排气孔（12-4）及其排气螺钉（12-5）；排气孔（12-4）的内径2mm，带有螺纹，用于在装样过程中排空气；排气螺钉（12-5）带有螺纹，用于拧紧排气孔（12-4）；

试样筒下底盖（13）呈漏斗形，上端设置有法兰并均布有4个穿孔，与试样筒主体（12）的下法兰适配；

上导流格栅板（14-1）、下导流格栅板（14-2）为一种方孔束状、外边缘切割为圆形的塑料块体；

上滤网（15-1）、下滤网（15-2）的功能是过滤试样（16），使水自由通过；

测压导管（17）为一种一端闭合、一端开口的金属圆管，在圆管上设置有测压孔（17-1），使水进入管内，将测压导管（17）开口的一端插入测压口（12-2）内；

所述的供水模块（30）包括伺服电机（31）、伺服电机控制器（32）和齿轮泵（33）。

Images