本實用新型涉及一種流體力學、熱力學中的滲流力學與溫度變化相互關(guān)系等相關(guān)領(lǐng)域，具體涉一種及檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置。

背景技術(shù)：

土壤溫度的變化、水壓與滲流之間的關(guān)系，由法國水力學家H.-P.-G.達西在1852～1855年通過大量實驗得出。其表達式為：

$Q=\frac{KFh}{l}$

此定律只描述了滲流速度與水力坡降之間的關(guān)系。滲透系數(shù)是土壤材料的固有屬性，其測定多通過實驗來完成，滲透系數(shù)K是綜合反映土體滲透能力的一個指標，其數(shù)值的正確確定對滲透計算有著非常重要的意義。影響滲透系數(shù)大小的因素很多，主要取決于土體顆粒的形狀、大小、不均勻系數(shù)和水的粘滯性等，要建立計算滲透系數(shù)k的精確理論公式比較困難，通?？赏ㄟ^試驗方法，包括實驗室測定法和現(xiàn)場測定法或經(jīng)驗估算法來確定k值，但這些方法均有一定的局限性，且無專用的設(shè)備來進行檢測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的是提供一種專用設(shè)備，通過本設(shè)備，可檢測壓力、溫度的變化對滲透系數(shù)的影響。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，實驗裝置包括儲水裝置，儲水裝置與水加熱裝置連通，在水加熱裝置下部設(shè)置有加熱管，水加熱裝置與土壤容器之間設(shè)置有帶有密封圈的第一導熱隔離板，土壤容器與排水箱之間設(shè)置有帶有密封圈的第二導熱隔離板，在土壤容器中分布有多個溫度傳感器。

所述的儲水裝置包括水槽，水槽通過加壓水泵與水加熱裝置通過管路連通。

所述的第一導熱隔離板采用導熱尼龍制成。

所述的導熱尼龍的導熱系數(shù)為0.5-1.0(W/m-k)。

加壓水泵與水加熱裝置的連通管路上安裝有壓力計。

加熱裝置及土壤容器內(nèi)分別安裝有溫度計。

土壤容器內(nèi)的溫度傳感器分層布置。

在儲水裝置的水槽中部、左側(cè)邊緣，底部邊緣；土壤容器頂部邊緣；排水水箱處均安裝有溫度傳感器；土壤容器上部也安裝有溫度傳感器用于監(jiān)測上部環(huán)境溫度；土壤容器下部也安裝有溫度傳感器用于監(jiān)測下部環(huán)境溫度。

水加熱裝置、土壤容器以及排水水箱的高度相同。

利用上述裝置檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的方法，包括以下步驟：

步驟一：在水加熱裝置里注滿水，由于水加熱裝置與與土壤容器之間設(shè)置有帶有密封圈的第一導熱隔離板，水加熱裝置的溫度就能很快且均勻地傳遞到土壤容器的土壤中，但水槽中的水不會滲透到土壤容器中；實驗時，將水槽中水溫度均勻升高N攝氏度，監(jiān)測土壤容器中的溫度數(shù)據(jù)并記錄1組溫度數(shù)據(jù)T_n；以后以N攝氏度為單位重復調(diào)整水槽中的水溫進行多次試驗,并記錄溫度升高值N和土壤容器中監(jiān)測的溫度系列T_n；

步驟二:移除水加熱裝置與土壤容器，以及土壤容器與排水箱之間第一導熱隔離板以及第二導熱隔離板上的密封圈，且保持水加熱裝置內(nèi)和排水水箱內(nèi)相同的水位，因此時為飽和土壤，不會有滲流和溫度傳導發(fā)生，按第一步的要求改變水加熱裝置中的溫度，利用溫度傳感器測試飽和土壤中溫度傳導情況；

步驟三：控制水加熱裝置內(nèi)溫度與壓力情況保持不變，排出排水箱中的水，這樣因為水頭差，會引起滲流，因滲流引起熱傳導引起的溫度變化及滲流量將被記錄下來，按步驟一的要求不斷調(diào)整水加熱裝置中水的溫度并重復進行實驗；調(diào)整水加熱裝置中的水位，或通過加壓水泵調(diào)整水壓，每次調(diào)整一定的水頭，重復步驟二的實驗，并記錄數(shù)據(jù)；分析以上三步獲取的數(shù)據(jù)，即可得到熱量轉(zhuǎn)移對滲流量的影響，以及他們之間的數(shù)量關(guān)系。

本實用新型提供的檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置為此類檢測提供了一個完整的檢測設(shè)備，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，使用方便；利用本設(shè)備可以進行滲流在壓力和土壤媒介溫度發(fā)生變化時的關(guān)系的實驗，通過上述所列步驟實驗，可以完成兩個目標：一 是可以采集溫度變化在土壤中傳導、對流的數(shù)量關(guān)系，二是通過給定壓力P、測定溫度T、土壤容器中的溫度序列T_n和滲流量Q，通過數(shù)字模擬方法分析他們者之前的數(shù)值關(guān)系，并進行擬合，形成溫度、壓力、滲流之間的耦合關(guān)系。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步的說明：

圖1為本實驗裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1是I－I、II－II區(qū)的部件接合面示意圖。

圖3為本實用新型附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4－6為本裝置中溫度傳感器布置示意圖。

圖中，1、水槽，2、加壓水泵，3、水加熱裝置，4、土壤容器，5、排水箱，6、加熱管，7、第一導熱隔離板，8、第二導熱隔離板，9、壓力計，10、溫度計，11、溫度傳感器，12、密封圈，13、附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng),14、螺釘，15螺釘,16、支架，17、水槽放水口，18、水加熱裝置放水口，19、排氣口，20、土工布，B代表穩(wěn)定地熱源。

具體實施方式

本實用新型的結(jié)構(gòu)如圖1所示：一種檢測滲流與壓力溫度關(guān)系的實驗裝置，儲水裝置，儲水裝置與水加熱裝置3連通，在水加熱裝置3下部設(shè)置有加熱管6，水加熱裝置3與土壤容器4之間設(shè)置有帶有密封圈12的第一導熱隔離板7，第一密封圈12與第一導熱隔離板7通過多個螺釘14連接，土壤容器4與排水箱5之間設(shè)置有帶有附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)13的第二導熱隔離板8，附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)13的第二導熱隔離板8之間通過多個螺釘15連接，在土壤容器4中分布有多個溫度傳感器11，為保證實驗更接近真實情況，構(gòu)造穩(wěn)定地熱源，土壤容器4與大地用導熱材料良好接觸，以獲取與大地同樣的溫度環(huán)境，即圖1中的B部。

本實用新型的儲水裝置包括水槽1，水槽1通過加壓水泵2與水加熱裝置3通過管路連通。

本裝置的整體安放于支架16上，在水槽1的下部設(shè)置有水槽放水口17，在水加熱裝置3底部設(shè)置水加熱裝置放水口18，水加熱裝置上部設(shè)置有排氣口19，以便于水氣排出。

傳感器分布：以下為本裝置的一個傳感器分布實例：如圖4－6所示，(圖中的編 號代表傳感器)，在實際檢測中，傳感器的分布詳可根據(jù)需要進行調(diào)整。在整個裝置中共布置38個溫度傳感器，監(jiān)視不同區(qū)域的溫度。其中布置在土壤容器4中31個，至下而上共布置6組，第1組距離容器底部5厘米，第2、3組在同一水平面，距離第一組垂直距離為15厘米，第4、5、6組垂直距離為10厘米，每組傳感器在同一平面內(nèi)布置間距為20厘米，且均勻分布。

布置在本實驗裝置其它位置的共有7個，(圖4－6中未標出)分別是布置在水槽中，布置在容器左側(cè)邊緣，布置在容器底部邊緣，布置在容器頂部邊緣，布置在排水水箱處，布置在容器上部監(jiān)測上部環(huán)境溫度，布置在容器下部監(jiān)測下部環(huán)境溫度。

本實用新型加工時，按照如圖1所示進行加工，各部件使用螺絲連接，下部用支架16，將各部件固定。

在進行實驗時，第一密封圈12上的螺釘14以及附有過濾土工布的鐵絲網(wǎng)13上的螺釘15可旋開，并移走相應的密封圈。

通過本實驗裝置完成的實驗步驟如下：

第一步：在水加熱裝置3里注滿水，水加熱裝置與土壤容器4之間用第一導熱隔離板7分隔開，這樣水加熱裝置的溫度就能很快且均勻地傳遞到土壤容器的土壤中，但水槽中的水不會滲透到土壤容器中。實驗時，將水槽中水溫度均勻升高2攝氏度，以模擬土壤中溫度升高2攝氏度。以后以2攝氏度為單位重復調(diào)整水槽中的水溫進行多次試驗，根據(jù)實際的要求，也可每次升高如1攝氏度、3攝氏度、4攝氏度等。

第二步：移除第一密封圈12，且保持水加熱裝置3內(nèi)和排水箱5內(nèi)相同的水位，因此時為飽和土壤，此時不會有滲流和溫度傳導發(fā)生，按第一步的要求改變水加熱裝置中的溫度，測試飽和土壤中溫度傳導和對流情況。

第三步:水加熱裝置內(nèi)情況保持不變，排出排水箱5中的水，這樣因為水頭差，會引起滲流，因滲流引起熱傳導引起的溫度變化及滲流量將被記錄下來，按第一步的要求不斷調(diào)整水加熱裝置中水的溫度并重復進行實驗。調(diào)整水加熱裝置中的水位，或通過加壓水泵2調(diào)整水壓，每次調(diào)整0.5米或?qū)嶒炓蟮钠渌麛?shù)據(jù)的水頭，重復第二步實驗，并記錄數(shù)據(jù)。

通過上述所列步驟實驗，可以完成兩個目標：一是可以采集溫度變化在土壤中傳導、對流的數(shù)量關(guān)系，二是通過給定壓力P、測定水加熱裝置溫度T、土壤容器中溫度系列T_n和滲流量Q，通過數(shù)字模擬方法分析他們之前的數(shù)值關(guān)系。

本實用新型中加壓水泵2(最大水壓達到10米水頭水壓)此部分裝置可以直接用引水管從高水位的水槽或者水庫引水。

承壓水在水加熱裝置3中產(chǎn)生滲流，水壓力和溫度都可以精確控制。土壤體積大小為0.5*0.6*1米，使用滲透系數(shù)為10-4到10-5厘米/秒的粘土，溫度傳感器在土壤中編號，并按圖4溫度傳感器布置圖順序埋設(shè)在土壤中以便監(jiān)測溫度，傳感器第一行距離底部10厘米，第二行距離裝置頂部20厘米，同一行中傳感器之間間距為20厘米。

本實用新型的導熱隔離板采用導熱尼龍制成，選用的導熱尼龍的導熱系數(shù)為0.5-1.0(W/m-k)。

本實用新型在于加壓水泵2與水加熱裝置3的連通管路上安裝有壓力計9，可實時監(jiān)測管路上的水壓力；在水加熱裝置3及土壤容器4內(nèi)分別安裝有溫度計10，可實時監(jiān)測水加熱裝置3及土壤容器4的溫度。