CN109030312A - 一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种研究多孔介质内孔隙液体流动特性的装置及试验方法，即一种通过非侵入手段测定多孔介质内部液体流动特性和细颗粒移动规律的方法和装置。本方法通过室内模型试验进行多孔介质渗流试验，测定孔隙液体的流动特性和细颗粒迁移规律与水头梯度、颗粒密实度、颗粒级配等因素的关系。
Description
技术领域
本发明涉及模拟土木工程及水利工程中多孔介质内孔隙液体流动特性的测试方法与测试装置，属于土体渗透破坏规律测试领域。
背景技术
管涌是在渗流作用下土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙被带出的现象，是渗流破坏的一种主要形式。天然土体是一种由大小不等的固体颗粒组成的多孔非均质介质，发生管涌时，土体中的固体颗粒在一定的水力条件下由原来的静止状态转变为运动状态。因此，管涌的发生就是部分土体发生相变的过程。天然土体中的孔隙通道形状多变、高度立体化，渗流场中，孔隙流速分布不均，而细颗粒的移动来源于孔隙渗流的拖拽力，并且具有启动范围小、速度快，迁移路径复杂、影响因素较多的特性。因此研究孔隙液体的流动特性以及细颗粒在内部孔隙中的移动规律是研究管涌的关键所在。
在传统的岩土试验中，往往需要埋入传感器对液体流动特性、颗粒移动情况等进行测量。而这种“侵入式”测量方法会不同程度地破坏土体原有相态，导致测量结果的偏差。
现有技术方法对管涌过程中土体相变的临界状态、相变速率等与固-液两相的物理性质之间的关系进行了一系列的研究，探索了土体相变规律与土体特征例如颗粒级配、密实度，以及渗流速度等之间的关系，但通过非侵入式测量研究多孔介质内孔隙液体流动特性以及细颗粒在渗流作用下的移动规律还需更近一步的研究。
发明内容
本发明提出了一种通过非侵入手段测定多孔介质内部液体流动特性和细颗粒移动规律的方法和装置。本方法通过室内模型试验进行多孔介质渗流试验，测定孔隙液体的流动特性和细颗粒迁移规律与水头梯度、颗粒密实度、颗粒级配等因素的关系。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置，其特征在于:主要包括试样盒、上游水头施加装置、下游水头施加装置、水桶、水泵、数码单反相机和激光灯头，以及多根硅胶软管。
所述试样盒侧壁由超白玻璃制成，其下底密封并搁置在实验平台上，其上端敞口。所述试样盒的上端敞口可由密封板封堵。
所述上游水头施加装置包括滑杆I、有机玻璃圆桶I-I和有机玻璃圆桶I-II。滑杆I的下端固定在实验平台上。所述有机玻璃圆桶I-I通过滑块挂在滑杆I上。所述有机玻璃圆桶I-II位于有机玻璃圆桶I-I中。
所述水泵通过硅胶软管I抽取水桶中的液体后，经过硅胶软管II输送到有机玻璃圆桶I-II中。有机玻璃圆桶I-II被液体灌满后，液体漫出到有机玻璃圆桶I-I中。有机玻璃圆桶I-I下端的出水口通过硅胶软管III接入水桶中，使得有机玻璃圆桶I-I中的液体回流至水桶。
所述有机玻璃圆桶I-II下端的出水口通过硅胶软管IV接入到试样盒底部的进水口。所述硅胶软管IV穿透有机玻璃圆桶I-I的底部。所述硅胶软管IV上安装有阀门I。
所述下游水头施加装置包括滑杆Ⅱ、有机玻璃圆桶II-I和有机玻璃圆桶II-II。
所述滑杆Ⅱ的下端固定在实验平台上。所述有机玻璃圆桶II-I通过滑块挂在滑杆Ⅱ上。所述有机玻璃圆桶II-II位于有机玻璃圆桶II-I中。所述试样盒配置的密封板具有出水口，该出水口通过硅胶软管VI接入到有机玻璃圆桶II-II中。硅胶软管VI具有阀门II。有机玻璃圆桶II-II内的液体被灌满后，漫入有机玻璃圆桶II-I。有机玻璃圆桶II-I下端的出水口通过硅胶软管V接入水桶中。
通过滑杆I上的滑块调节有机玻璃圆桶I-I的高度。通过滑杆Ⅱ上的滑块调节有机玻璃圆桶II-I的高度。有机玻璃圆桶I-II的底部始终比有机玻璃圆桶II-II的底部高。
所述激光灯头位于试样盒的一侧，向试样盒发射出一个激光面。所述数码单反相机对准试样盒拍摄，且镜头轴线垂直于所述激光面。
本发明还公开一种基于上述的一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1〕制备无色透明固体颗粒和透明溶液，二者的折射率相同。制备示踪粒子。
按照设定的级配和密实度，将若干无色透明固体颗粒置于试样盒中。试样盒的上端不封闭。
水桶中装入含有示踪粒子的透明溶液，即混合液。
固定有机玻璃圆桶I-I和有机玻璃圆桶II-I的位置。关闭阀门I和阀门II。
2〕启动水泵，水桶里的混合液通过硅胶软管I和硅胶软管II注入到有机玻璃圆桶I-II中。
3〕待混合液注满有机玻璃圆桶I-II并漫出到有机玻璃圆桶I-I后，打开阀门I。混合液慢慢通过硅胶软管IV注入到试样盒中并与无色透明固体颗粒混合，在此过程中用玻璃棒轻轻搅拌试样使气泡排出。
4〕待试样盒的混合液液面接近试样盒顶端开口时，暂时关掉阀门I，使用所述密封板密封试样盒。
5〕同时打开阀门Ⅰ和阀门II，混合液注满试样盒后，经过硅胶软管VI流入有机玻璃圆桶II-II内，待有机玻璃圆桶II-II内的混合液注满后，流入有机玻璃圆桶II-I内，然后经硅胶软管V回流到水桶里。
6〕通过调节有机玻璃圆桶I-I和有机玻璃圆桶II-I之间的相对高度来获得预定的混合液水头。
7)待混合液循环稳定之后，打开激光灯头，使激光穿过试样盒在试样中形成激光面。
8〕调整数码单反相机的位置，捕捉图像。
9〕通过多次改变激光灯光和数码单反相机的位置，获得多幅图像。
10〕对图像进行处理和数据分析。
11〕改变试样盒中的试样级配、密实度，改变水头大小，重复上述过程。
本发明的技术效果是毋庸置疑的。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明装置试样溶液循环***示意图；
图3为试样盒简图；
图4为单反相机采集的原图；
图5为阈值取0.05时所识别出的粒子的二值化图像；
图6为阈值取0.1时所识别出的粒子的二值化图像；
图7为阈值取0.15时所识别出的粒子的二值化图像；
图8为利用最大类间方差法所得的阈值时所识别出的粒子的二值化图像；
图9为流场图；
图10为流速频数直方图。
图中：试样盒1、上游水头施加装置2、滑杆I201、有机玻璃圆桶I-I202、有机玻璃圆桶I-II203、下游水头施加装置3、滑杆Ⅱ301、有机玻璃圆桶II-I302、有机玻璃圆桶II-II303、水桶4、水泵5、硅胶软管I601、硅胶软管II602、硅胶软管III603、硅胶软管IV604、阀门I6041、硅胶软管V605、硅胶软管VI606、阀门II6061、激光灯头7。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置，其特征在于:主要包括试样盒1、上游水头施加装置2、下游水头施加装置3、水桶4、375水泵5、数码单反相机和激光灯头7，以及多根硅胶软管6。
所述试样盒1侧壁由超白玻璃制成，其下底密封并搁置在实验平台上，其上端敞口。所述超白玻璃试样盒高200mm,横截面尺寸100*100mm。内部盛放人造透明多孔介质。其上下两端分别采用有机玻璃顶板和有机玻璃底板封堵,其中有机玻璃底板与超白玻璃侧面提前粘接固定。所述试样盒1的上端敞口可由密封板封堵。所述密封板是有机玻璃顶板，机玻璃顶板和有机玻璃底板呈140*140mm正方形，中间各开有直径10mm的圆孔A和圆孔B，圆孔与液体循环***的硅胶软管相接；所述顶板与底板四角各开有直径6mm销孔，销孔内***螺杆，螺杆两端用螺帽固定，通过锁紧螺帽起到封闭试样盒的作用。
所述上游水头施加装置2包括滑杆I201、有机玻璃圆桶I-I202和有机玻璃圆桶I-II203。滑杆I201的下端固定在实验平台上。所述有机玻璃圆桶I-I202通过滑块挂在滑杆I201上。所述有机玻璃圆桶I-II203位于有机玻璃圆桶I-I202中。外圆桶横截面外径110mm，有机玻璃壁厚5mm，高度100mm，有机玻璃下底厚度5mm，无上底；内圆桶横截面外径60mm，有机玻璃壁厚5mm，高度70mm，上端敞口。
所述水泵5通过硅胶软管I601抽取水桶4中的液体后，经过硅胶软管II602输送到有机玻璃圆桶I-II203中。有机玻璃圆桶I-II203被液体灌满后，液体漫出到有机玻璃圆桶I-I202中。有机玻璃圆桶I-I202下端的出水口通过硅胶软管III603接入水桶4中，使得有机玻璃圆桶I-I202中的液体回流至水桶4。
所述有机玻璃圆桶I-II203下端的出水口通过硅胶软管IV604接入到试样盒1底部的进水口。所述硅胶软管IV604穿透有机玻璃圆桶I-I202的底部。所述硅胶软管IV604上安装有阀门I6041。
所述下游水头施加装置3包括滑杆Ⅱ301、有机玻璃圆桶II-I302和有机玻璃圆桶II-II303。
所述滑杆Ⅱ301的下端固定在实验平台上。所述有机玻璃圆桶II-I302通过滑块挂在滑杆Ⅱ301上。所述有机玻璃圆桶II-II303位于有机玻璃圆桶II-I302中。所述试样盒1配置的密封板具有出水口，该出水口通过硅胶软管VI606接入到有机玻璃圆桶II-II303中。硅胶软管VI606具有阀门II6061。有机玻璃圆桶II-II303内的液体被灌满后，漫入有机玻璃圆桶II-I302。有机玻璃圆桶II-I302下端的出水口通过硅胶软管V605接入水桶4中。内外圆桶底面相接、横截面圆心重合。
通过滑杆I201上的滑块调节有机玻璃圆桶I-I202的高度。通过滑杆Ⅱ301上的滑块调节有机玻璃圆桶II-I302的高度。有机玻璃圆桶I-II203的底部始终比有机玻璃圆桶II-II303的底部高。
所述激光灯头7位于试样盒1的一侧，向试样盒1发射出一个激光面。实施例中，选用532nm150mw高稳定带温控绿光激光模组包括一字绿色激光灯头、控制盒、万能支架、220V转直流12V2A防水电源。
所述激光灯头特征在于：长宽高尺寸为30*30*45mm，尾部自带散热槽和风扇，当达到一定温度会自启动降温。其功率为150mW，波长532nm，光斑模式为一字线，当激光穿过透明多孔介质时会在试样中形成激光面。所述万能支架用来固定激光灯头，其特征在于:可以任意方向旋转调节灯头位置。所述XY轴直线光轴导轨微调台(下述简称“导轨”)行程60*60mm，不锈钢丝杆一圈进给量为0.7mm。
试验时，所述绿光激光模组中的万能支架上与激光灯头固定，下与导轨固定，通过调节导轨来确定激光面位置。
所述数码单反相机对准试样盒1拍摄，且镜头轴线垂直于所述激光面。数码单反相机选用PENTAX数码单反相机，配置三脚架和定时快门线。
实施例2：
一种基于实施例1所述的一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1〕制备无色透明固体颗粒(粒径6-13mm不等)和透明溶液，二者的折射率相同，致使两种材料混合后，入射光穿过固-液界面时很少发生甚至不发生折射和散射，从而降低光在传播时的能量损失，使这种人造混合介质体系相对于特定频率的光显示出透明特性。
制备与无色透明固体颗粒折射率不同的示踪粒子。示踪粒子的要求是：1)与溶液密度接近，粒径小，以便具有更好的跟随性；2)在接受激光的照射下，具有足够的散光性，采集照片时易于成像。
按照设定的级配和密实度，将若干无色透明固体颗粒置于试样盒1中。试样盒1的上端不封闭。
水桶4中装入含有适量示踪粒子的透明溶液(选用质量分数37.5％的蔗糖溶液)，即混合液。
固定有机玻璃圆桶I-I202和有机玻璃圆桶II-I302的位置。关闭阀门I6041和阀门II6061。
2〕启动水泵5，水桶4里的混合液通过硅胶软管I601和硅胶软管II602注入到有机玻璃圆桶I-II203中。
3〕待混合液注满有机玻璃圆桶I-II203并漫出到有机玻璃圆桶I-I202后，打开阀门I6041。混合液慢慢通过硅胶软管IV604注入到试样盒1中并与无色透明固体颗粒混合，在此过程中用玻璃棒轻轻搅拌试样使气泡排出。
4〕待试样盒1的混合液液面快要到达试样盒1顶端开口时(约1cm)，暂时关掉阀门I6041，使用所述密封板密封试样盒1。
5〕同时打开阀门Ⅰ6041和阀门II6061，混合液注满试样盒1后，经过硅胶软管VI606流入有机玻璃圆桶II-II303内，待有机玻璃圆桶II-II303内的混合液注满后，流入有机玻璃圆桶II-I302内，然后经硅胶软管V605回流到水桶4里。
至此，整个过程形成混合液循环***，值得注意的是，上游水头施加装置的圆桶Ⅱ上底一定比下游水头施加装置的圆桶Ⅱ上底高，这样才能形成水头差。
6〕通过调节有机玻璃圆桶I-I202和有机玻璃圆桶II-I302之间的相对高度来获得预定的混合液水头。
7〕待混合液循环稳定之后，打开激光灯头7，使激光穿过试样盒1在试样中形成绿色激光面，通过导轨将激光面调到合适位置。
8〕调整数码单反相机的位置，捕捉图像。
通过三脚架调整相机高度，相机垂直于激光面，并尽量使镜头高度与激光面中间部位相平，利用快门线通过相机捕捉图像。拍摄时曝光时间应该尽可能短，以保证相邻的两帧图像中相关的粒子足够多。
9〕通过多次改变激光灯光和数码单反相机的位置，获得多幅图像。
10〕对图像进行处理和数据分析。
上述步骤10〕中，图像处理和数据分析主要包括图像灰度二值化、示踪粒子的形状和粒径识别、流速统计。在图像处理时，阈值的选取极为关键，阈值较低会产生虚假边缘，而阈值太高则会使某些真实的边缘丢失。
图像采集之后，首先选择合适的阈值进行图像灰度二值化，去除背景明暗不均匀并删除噪声粒子，然后进行形态学开闭运算修缮图像。图像的每个像素用8位二进制数表示，即有256个量级，每个量级对应一个灰度等级。在0-255个等级中，需要从中选取一个灰度级(即阈值)对像素集合进行划分，小于此灰度级的设为0，并判定为示踪粒子；大于此灰度级的设为255，表示背景或其他物体。这样在对图像做进一步处理时，不再涉及像素的多级值，图像性质只与像素值为0或255的点的位置有关。
二值化处理后，读取判定为示踪粒子的像素的位置坐标，并根据像素个数计算粒子直径。计算每个示踪粒子的形心位置，用于后续粒子匹配，进而计算示踪粒子的位移。
通过编程计算得到的粒子位移是以像素为单位的，根据图像采集窗口的尺寸计算出每个像素点的大小，进而得到实际位移，然后除以相邻两帧图像之间的时间间隔，即可计算出粒子的速度。
进一步，图像处理和数据分析主要包括图像灰度二值化、示踪粒子的形状和粒径识别、流速统计。在图像处理时，阈值的选取极为关键，阈值较低会产生虚假边缘，而阈值太高则会使某些真实的边缘丢失。图5～7为图像阈值分别取0.05、0.1、0.15时所识别出的粒子的二值化图像对比。图8为利用最大类间方差法所得的阈值时所识别出的粒子的二值化图像对比。图9为示踪粒子流场图，图10为速度频数直方图。
11〕改变试样盒1中的试样级配、密实度，改变水头大小，重复上述过程。
Claims (2)
1.一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置，其特征在于:主要所述包括试样盒(1)、上游水头施加装置(2)、下游水头施加装置(3)、水桶(4)、水泵(5)、数码单反相机和激光灯头(7)，以及多根硅胶软管(6)；
所述试样盒(1)侧壁由超白玻璃制成，其下底密封并搁置在实验平台上，其上端敞口；所述试样盒(1)的上端敞口可由密封板封堵。
所述上游水头施加装置(2)包括滑杆I(201)、有机玻璃圆桶I-I(202)和有机玻璃圆桶I-II(203)；滑杆I(201)的下端固定在实验平台上；所述有机玻璃圆桶I-I(202)通过滑块挂在滑杆I(201)上；所述有机玻璃圆桶I-II(203)位于有机玻璃圆桶I-I(202)中。
所述水泵(5)通过硅胶软管I(601)抽取水桶(4)中的液体后，经过硅胶软管II(602)输送到有机玻璃圆桶I-II(203)中；有机玻璃圆桶I-II(203)被液体灌满后，液体漫出到有机玻璃圆桶I-I(202)中；有机玻璃圆桶I-I(202)下端的出水口通过硅胶软管III(603)接入水桶(4)中，使得有机玻璃圆桶I-I(202)中的液体回流至水桶(4)；
所述有机玻璃圆桶I-II(203)下端的出水口通过硅胶软管IV(604)接入到试样盒(1)底部的进水口；所述硅胶软管IV(604)穿透有机玻璃圆桶I-I(202)的底部；所述硅胶软管IV(604)上安装有阀门I(6041)；
所述下游水头施加装置(3)包括滑杆Ⅱ(301)、有机玻璃圆桶II-I(302)和有机玻璃圆桶II-II(303)；
所述滑杆Ⅱ(301)的下端固定在实验平台上；所述有机玻璃圆桶II-I(302)通过滑块挂在滑杆Ⅱ(301)上；所述有机玻璃圆桶II-II(303)位于有机玻璃圆桶II-I(302)中；所述试样盒(1)配置的密封板具有出水口，该出水口通过硅胶软管VI(606)接入到有机玻璃圆桶II-II(303)中；硅胶软管VI(606)具有阀门II(6061)；有机玻璃圆桶II-II(303)内的液体被灌满后，漫入有机玻璃圆桶II-I(302)；有机玻璃圆桶II-I(302)下端的出水口通过硅胶软管V(605)接入水桶(4)中；
通过滑杆I(201)上的滑块调节有机玻璃圆桶I-I(202)的高度；通过滑杆Ⅱ(301)上的滑块调节有机玻璃圆桶II-I(302)的高度；有机玻璃圆桶I-II(203)的底部始终比有机玻璃圆桶II-II(303)的底部高；
所述激光灯头(7)位于试样盒(1)的一侧，向试样盒(1)发射出一个激光面；所述数码单反相机对准试样盒(1)拍摄，且镜头轴线垂直于所述激光面。
2.一种基于权利要求1所述的一种测试多孔介质内孔隙液体流动特性的装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1〕制备无色透明固体颗粒和透明溶液，二者的折射率相同；制备示踪粒子；
按照设定的级配和密实度，将若干无色透明固体颗粒置于试样盒(1)中。
水桶(4)中装入含有示踪粒子的透明溶液，即混合液；
固定有机玻璃圆桶I-I(202)和有机玻璃圆桶II-I(302)的位置；关闭阀门I(6041)和阀门II(6061)；
2〕启动水泵(5)，水桶(4)里的混合液通过硅胶软管I(601)和硅胶软管II(602)注入到有机玻璃圆桶I-II(203)中；
3〕待混合液注满有机玻璃圆桶I-II(203)并漫出到有机玻璃圆桶I-I(202)后，打开阀门I(6041)；混合液慢慢通过硅胶软管IV(604)注入到试样盒(1)中并与无色透明固体颗粒混合，在此过程中用玻璃棒轻轻搅拌试样使气泡排出；
4〕待试样盒(1)的混合液液面接近样盒(1)顶端开口时，暂时关掉阀门I(6041)。
5〕同时打开阀门Ⅰ(6041)和阀门II(6061)，混合液注满试样盒(1)后，经过硅胶软管VI(606)流入有机玻璃圆桶II-II(303)内，待有机玻璃圆桶II-II(303)内的混合液注满后，流入有机玻璃圆桶II-I(302)内，然后经硅胶软管V(605)回流到水桶(4)里；
6〕通过调节有机玻璃圆桶I-I(202)和有机玻璃圆桶II-I(302)之间的相对高度来获得预定的混合液水头；
7)待混合液循环稳定之后，打开激光灯头(7)，使激光穿过试样盒(1)在试样中形成激光面；
8〕调整数码单反相机的位置，捕捉图像；
9〕通过多次改变激光灯光和数码单反相机的位置，获得多幅图像；
10〕对图像进行处理和数据分析；
11〕改变试样盒(1)中的试样级配、密实度，改变水头大小，重复上述过程。
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