RU2537750C1 - Аэродинамический способ определения удельной поверхности конденсированной фазы, удельной поверхности твердой фазы и потенциала влаги пористых материалов - Google Patents
Аэродинамический способ определения удельной поверхности конденсированной фазы, удельной поверхности твердой фазы и потенциала влаги пористых материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2537750C1 RU2537750C1 RU2013154001/28A RU2013154001A RU2537750C1 RU 2537750 C1 RU2537750 C1 RU 2537750C1 RU 2013154001/28 A RU2013154001/28 A RU 2013154001/28A RU 2013154001 A RU2013154001 A RU 2013154001A RU 2537750 C1 RU2537750 C1 RU 2537750C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- specific surface
- sample
- moisture
- volume
- solid phase
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение в почвоведении, мелиорации, гидрологии, грунтоведении, строительном деле и других областях науки и производства, связанных с исследованием свойств пористых материалов. Способ заключается в том, что измерение производится по принципу просачивания воздуха через пористый материал с известной пористостью и влажностью. Образец известной длины и объема помещают в устройство, обеспечивающее измерение разности давлений на его входе и выходе и объема воздуха, протекшего через образец в стационарном режиме при давлении, близком к атмосферному. На основе измеренных пористости, влажности, разности давлений между торцами образца и времени протекания через него измеренного объема воздуха рассчитывают удельную поверхность конденсированной фазы, удельную поверхность твердой фазы и потенциал влаги однородных пористых материалов по формулам. При этом измерение входящих в формулу физических величин, таких как объем газа, протекающего через образец, время протекания газа, перепад давлений, производят на одних и тех же образцах пористых материалов. Техническим результатом является повышение точности определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, потенциала влаги однородных пористых материалов. 1 ил., 4 табл.
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может найти применение в почвоведении, мелиорации, гидрологии, грунтоведении, строительном деле и других областях науки и производства, связанных с исследованием свойств пористых материалов.
Известен способ определения потенциала влаги, включающий измерения начальной и конечной влажности образца, выдержанного в условиях, обеспечивающих отток влаги при заданном газовом давлении [1], при заданном гидростатическом давлении [2]. К основным недостаткам способа относятся длительность определения и невозможность определения потенциала влаги во всем диапазоне его значений на одном и том же образце.
Известен аэродинамический способ определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, потенциала влаги для однородных пористых материалов, включающий измерения количества газа, протекающего через образец пористого материала, времени протекания, перепада давления между торцами образца, пористости, абсолютной температуры. Расчетная формула известного способа выведена на основе принципов аэрогидродинамического подобия [3, 4]. Основным недостатком известного способа является использование модели пористых тел, имеющей одну цилиндрическую пору, что в реальном трехмерном случае приводит к снижению точности результатов, поскольку учет перпендикулярных цилиндрических пор, вдоль которых не создан поток газа, приводит к изменениям величины скважности и удельной поверхности.
Цель изобретения - повышение точности определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, потенциала влаги однородных пористых материалов.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, потенциала влаги для однородных пористых материалов, включающем измерения количества газа в стационарном потоке, протекшего через образец пористого материала, времени протекания, перепада давлений между торцами образца с известной пористостью и влажностью, согласно изобретению используется модель с тремя взаимно перпендикулярными цилиндрическими порами.
В основу способа положена идеализированная модель пористого материала, предполагающая однородное и изотропное сложение его частиц.
Это предположение позволяет утверждать, что для кубического образца объем пор можно интерпретировать тремя взаимно перпендикулярными модельными цилиндрическими порами (фиг.1), длины которых равны длине образца, а пористость - объем пор в единице объема образца - является функцией радиуса цилиндрической поры:
где l - длина образца, м;
r - радиус поры, м;
П - пористость.
В основу способа определения пористости П положено сохранение массы воздуха, содержащегося в порах, при его расширении в сосуд с пониженным давлением того же объема, что и образец:
где pатм - атмосферное давление, Па;
Pразр - устанавливаемое в сосуде разрежение, Па;
Pуст - установившееся в системе давление после подсоединения сосуда с пониженным давлением, Па;
Vобр - объем образца почвы, м3;
Vпор - объем пор в образце почвы, м3.
Создание градиента давления газа на противоположных гранях образца и ограничение остальных граней газонепроницаемой оболочкой приводит к установлению стационарного потока газа через трубку радиуса r. В стационарном случае потери кинетической энергии потока равны работе по преодолению сил трения о поверхность конденсированной фазы.
Рассмотрим цилиндрическую трубку эффективного радиуса R той же длины, что и образец, в которой потери кинетической энергии потока, при том же перепаде давления равны реальным потерям в пористой среде. Использование значений перепада давлений Δp, при которых поток через трубку радиуса R ламинарный, позволяет применить уравнение Пуазейля:
где ΔV - объем газа, протекающего через образец, м3;
Δt - время протекания газа, с;
η - вязкость газа, Па·с.
Две трубки тока подобны, если они подобны геометрически, через них протекает одна и та же сплошная среда, а потоки в них удовлетворяют условиям равенства критериев подобия - чисел Рейнольдса Re, Фруда F, Маха M и Струхаля Sr. Поэтому увеличим длину трубки тока радиуса r до некоторого значения L, при котором эта трубка станет подобной трубке радиуса R и длины l. Уравнение Пуазейля примет вид:
Расходы воздуха ΔV/Δt при заданных перепадах давления Δp в (3) и (4) равны. Определим такую длину L трубки тока радиуса r, протекая через которую поток газа имеет те же потери энергии, что и в образце с пористой средой:
Поверхность контакта конденсированной фазы образца с воздухом равна боковой поверхности трубки тока S=2πrL. Удельной поверхностью конденсированной фазы Ω является отношение поверхности S к объему конденсированной фазы V=l3(1-П):
Поскольку поток воздуха теряет энергию при протекании только по одной из трех трубок, то для определения общей поверхности необходимо утроить полученное значение.
Выражая из соотношения (1) зависимость радиуса r от пористости численно, в виде степенной функции с размерным коэффициентом k=0,00735 м5, для удельной поверхности конденсированной фазы получим:
Пористость П0 сухого образца больше пористости влажного образца П на величину влажности w, то есть П0=П+w, поэтому удельная поверхность твердой фазы равна удельной поверхности конденсированной фазы при нулевой влажности. Поэтому можно записать:
Из выражений (7) и (8) можно определить зависимость Ω(w):
Таким образом, по экспериментально измеренным значениям влажности w, пористости П, перепада давления воздуха на противоположных гранях образца Δp и времени протекания заданного объема воздуха через образец Δt можно рассчитать удельные поверхности влажного и сухого образца.
В пористой среде влага ограничена, с одной стороны, газообразной, а с другой - твердой фазами. Имеется поверхностная энергия взаимодействия с твердой фазой и поверхностная энергия взаимодействия с воздухом:
где E - полная поверхностная энергия; E′ - поверхностная энергия взаимодействия влаги с твердой фазой; E″ - поверхностная энергия взаимодействия влаги с воздухом.
Потенциал влаги пористых материалов определяется как энергия, необходимая для переноса единицы массы жидкости из образца в свободную жидкость ψ=E/m, с учетом (10) имеем:
Значение потенциала, обусловленного взаимодействием влаги с твердой фазой, может быть найдено по формуле:
где ρ - плотность воды, кг/м3. Ω0 - объемная удельная поверхность, м2/м3; w - объемная влажность, м3/м3; A - постоянная, Дж; П0 - пористость сухого образца, м3/м3.
Потенциал ψ″ обусловлен взаимодействием влаги с газом и определяется выражением:
где Ωcf - объемная удельная поверхность границы раздела вода - воздух, м2/м3; σlg - удельная свободная поверхностная энергия на границе раздела вода - воздух, Дж/м2.
Расчетная формула для потенциала влаги учетом (12) и (13) имеет вид:
где Ω0 - удельная поверхность твердой фазы, м2/м3;
П0- пористость сухого образца, м3/м3;
w - объемная влажность образца, м3/м3;
ρ - плотность воды, кг/м3;
σ - коэффициент поверхностного натяжения воды, Н/м;
A - постоянная Б.В. Дерягина, равная (5·10-21-5·10-22), Дж.
ψ - потенциал влаги, Дж/кг.
Экспериментально измеряют значения влажности термостатно-весовым методом, пористости методом расширения порового газа в область с пониженным давлением. Измерив перепад давления воздуха на противоположных гранях образца и время протекания заданного объема воздуха через образец, рассчитывают удельные поверхности влажного и сухого образца по формулам (8) и (9). По формуле (14) рассчитывают потенциал влаги.
Результаты реализации способа приведены в сводных таблицах 1-4, в которые для сравнения с известными способами добавлены экспериментальные данные, полученные центрифугированием [2]. Для сохранения общепринятых размерностей удельной поверхности твердой фазы (м2/г) в таблицах значения поделены на плотность твердой фазы, а потенциал влаги представлен в виде десятичного логарифма от абсолютной величины давления (pF).
Преимущество предложенного способа заключается в уточнении определения потенциала влаги, удельных поверхностей твердой и конденсированной фаз. Все это позволяет сравнивать предложенным способом пористые материалы, например почвы, по их гидрофизическим свойствам на основе объективных характеристик.
Источники информации
1. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. Л.: Гидрометеоиздат, 1969 г., с.158-178.
2. Смагин А.В. Колоночно-центрифужный метод определения основной гидрофизической характеристики почв и дисперсных грунтов // Почвоведение. 2012, №4, с.470-478.
3. Сироткин В.В., Сироткин В.М. Прикладная гидрофизика почв. - Чебоксары, 2001, 252 с.
4. Патент РФ №2230308, C27C 15/08 Аэродинамический способ определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, потенциала влаги для однородных пористых материалов и устройство для его реализации. В.В. Сироткин, В.М. Сироткин, опубл. 10.06.2004, Бюл. №16.
Claims (1)
- Аэродинамический способ определения удельной поверхности конденсированной фазы, удельной поверхности твердой фазы и потенциала влаги пористых материалов, включающий измерения объема воздуха, прошедшего через образец пористого материала с известными пористостью и влажностью, перепада давлений между торцами образца и времени протекания воздуха, отличающийся тем, что учитываются поры, перпендикулярные проходящему через образец потоку газа, причем удельную поверхность конденсированной фазы определяют по формуле:
удельную поверхность твердой фазы определяют по формуле:
потенциал влаги определяют по формуле:
где ΔV - объем газа, протекающего через образец, м3;
Δt - время протекания газа, с;
Δp - перепад давлений, Па;
k=0,00735 - коэффициент, м5;
l - длина образца, м;
η - вязкость газа, Па·с.
σ - коэффициент поверхностного натяжения воды, Н/м;
П0 - пористость сухого образца, м3/м3;
П - пористость влажного образца, м3/м3;
w - объемная влажность, м3/м3;
Ω - удельная поверхность конденсированной фазы, м2/м3;
Ω0 - удельная поверхность твердой фазы, м2/м3;
A - постоянная Б.В. Дерягина, Дж;
ψ - потенциал влаги, Дж/кг.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154001/28A RU2537750C1 (ru) | 2013-12-04 | 2013-12-04 | Аэродинамический способ определения удельной поверхности конденсированной фазы, удельной поверхности твердой фазы и потенциала влаги пористых материалов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154001/28A RU2537750C1 (ru) | 2013-12-04 | 2013-12-04 | Аэродинамический способ определения удельной поверхности конденсированной фазы, удельной поверхности твердой фазы и потенциала влаги пористых материалов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2537750C1 true RU2537750C1 (ru) | 2015-01-10 |
Family
ID=53287867
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013154001/28A RU2537750C1 (ru) | 2013-12-04 | 2013-12-04 | Аэродинамический способ определения удельной поверхности конденсированной фазы, удельной поверхности твердой фазы и потенциала влаги пористых материалов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2537750C1 (ru) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2196319C2 (ru) * | 2000-09-25 | 2003-01-10 | Закрытое акционерное общество "МЕТА" | Способ измерения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов |
RU2230308C2 (ru) * | 2000-06-05 | 2004-06-10 | Чувашская государственная сельскохозяйственная академия | Аэродинамический способ определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, потенциала влаги для однородных пористых материалов и устройство для его реализации |
WO2006131136A1 (de) * | 2005-06-08 | 2006-12-14 | Süd-Chemie AG | Oberflächenreiche tone zur herstellung von bleicherden sowie aktivierungsverfahren dieser tone |
-
2013
- 2013-12-04 RU RU2013154001/28A patent/RU2537750C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2230308C2 (ru) * | 2000-06-05 | 2004-06-10 | Чувашская государственная сельскохозяйственная академия | Аэродинамический способ определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, потенциала влаги для однородных пористых материалов и устройство для его реализации |
RU2196319C2 (ru) * | 2000-09-25 | 2003-01-10 | Закрытое акционерное общество "МЕТА" | Способ измерения удельной поверхности дисперсных и пористых материалов |
WO2006131136A1 (de) * | 2005-06-08 | 2006-12-14 | Süd-Chemie AG | Oberflächenreiche tone zur herstellung von bleicherden sowie aktivierungsverfahren dieser tone |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Смагин А.В. Колоночно-центрифужный метод определения основной гидрофизической характеристики почв и дисперсных грунтов, Почвоведение, N4, стр. 470-478, 2012. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zheng et al. | A fractal model for gas slippage factor in porous media in the slip flow regime | |
Mason et al. | Correlation for the effect of fluid viscosities on counter-current spontaneous imbibition | |
Fredlund et al. | Interpretation of soil-water characteristic curves when volume change occurs as soil suction is changed | |
Feng et al. | Capillary filling of confined water in nanopores: Coupling the increased viscosity and slippage | |
Ming et al. | Estimation of hydraulic conductivity of saturated frozen soil from the soil freezing characteristic curve | |
Gao et al. | Apparent permeability and gas flow behavior in carboniferous shale from the Qaidam Basin, China: an experimental study | |
Wu et al. | A model for real gas transfer in nanopores of shale gas reservoirs | |
Lv et al. | Determining the intrinsic permeability of tight porous media based on bivelocity hydrodynetics | |
Borman et al. | Observation of a dispersion transition and the stability of a liquid in a nanoporous medium | |
Nishiyama et al. | Does the reactive surface area of sandstone depend on water saturation?—The role of reactive-transport in water film | |
Benneker et al. | Influence of temperature gradients on charge transport in asymmetric nanochannels | |
Saad | Unsteady electrophoresis of a dielectric cylindrical particle suspended in porous medium | |
Grunewald et al. | Towards an engineering model of material characteristics for input to ham transport simulations-Part 1: an approach | |
Chilingar et al. | Relationship between porosity, permeability, and surface areas of sediments | |
CN106644875A (zh) | 一种页岩毛管压力与含水饱和度测量方法 | |
Wu et al. | A fractal permeability model for real gas in shale reservoirs coupled with Knudsen diffusion and surface diffusion effects | |
RU2537750C1 (ru) | Аэродинамический способ определения удельной поверхности конденсированной фазы, удельной поверхности твердой фазы и потенциала влаги пористых материалов | |
Nazemi et al. | A mathematical model for the interactions between non-identical rough spheres, liquid bridge and liquid vapor | |
Guria | Pressure-and temperature-dependent klinkenberg slippage effect in porous media to non-ideal gases | |
RU2529455C1 (ru) | Способ определения коэффициента теплового объемного расширения жидкости | |
US20140096628A1 (en) | Method for determining wettability | |
Tian et al. | Inertial solution for high-pressure-difference pulse-decay measurement through microporous media | |
CN107179393B (zh) | 一种低含水量致密岩土介质的孔隙水压力测试方法 | |
RU2230308C2 (ru) | Аэродинамический способ определения удельной поверхности твердой фазы, удельной поверхности конденсированной фазы, коэффициента влагопроводности, потенциала влаги для однородных пористых материалов и устройство для его реализации | |
Ai et al. | Characterization of wood micromorphology from gas permeability measurements |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151205 |