[發(fā)明專利]雙層介質水氣二相流模擬實驗裝置及其使用方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510416567.1
• 申請日: 2015-07-15
• 公開（公告）號: CN104952326B
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發(fā)明（設計）人: 肖先煊;許模;杜鋒;康小兵;張強;岑鑫雨;張家森;楊術剛;黃宇彬;王欣
• 申請（專利權）人: 成都理工大學
• 主分類號: G09B23/12
• 分類號: G09B23/12
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 董芙蓉

本發(fā)明雙層介質水氣二相流模擬實驗裝置，包括模擬槽，其被分成三個腔室，分別為兩側的地表水體模擬腔、模擬箱；模擬箱內自下而上為強滲透介質和弱滲透介質，模擬箱外壁上有數個觀測管和插管，每個插管對應一根觀測管，其底部通過軟管與插管連通，插管位于強滲透介質側面不同部位。插管插入地下水位以上強滲透介質中觀測氣壓變化，中下部插管觀測地下水位變化；模擬槽外安裝升降裝置，并在其上設置定水頭溢流箱控制地表水體水位，強滲透介質中有示蹤劑注入管，觀測毛細水上升規(guī)律。本發(fā)明根據穩(wěn)定后的U型測壓管水頭差測定包氣帶中的氣壓，捕捉氣壓隨時間的變化規(guī)律，根據地下水位觀測管的水頭變化觀測地下水位受氣壓變化后的動態(tài)特征，研究水?氣作用機理。

技術領域

本發(fā)明涉及水文地質學的地下水動力學技術領域，尤其是涉及一種雙層介質水氣二相流模擬實驗裝置。

背景技術

在水文地質領域，雙層介質一般被認為是上層透水性較弱而下層透水性相對較強的復合水文地質結構，它廣泛存在自然界中。如平原區(qū)河流兩側的階地，上覆為薄層粘土下伏為砂卵礫石層，形成典型的二元結構；如中生界侏羅系、白堊系地層，由于特殊的沉積環(huán)境，形成泥巖覆蓋在砂巖上的典型雙層結構；又如城市路面填土，也可形成上弱下強滲透的雙層結構。地下水可賦存于雙層介質中。

自然界中地下水以重力水、結合水、毛細水等多種形式賦存于雙層介質中。通過水文地質調查、勘測、試驗等技術手段可掌握地下水的動態(tài)特征。而在氣象、水文等因素的影響下，地下水位反復升降。自然界中的潛水面一般指地表以下，第一個具有自由表面的地下水位面。這個地下水位面是可以變化的，最高的地下水位面與最低的地下水位面的范圍稱為地下水位變動帶。如果潛水面上部包氣帶的空氣與大氣始終處于自由連通狀態(tài)，保持大氣壓不變，從而不影響飽和水流的運動。在多數情況下，包氣帶的確與外界大氣保持很強的連通性。而對于具有弱滲透蓋層包氣帶中，地下水位升降可導致包氣帶中的氣壓變化(出現真空或正壓)，氣壓的變化過程則反作用于地下水位的升降過程，影響地下水位升降的速率及升降幅度，在這個過程中，水氣相互作用強烈。同時，這個過程將直接影響包氣帶降雨入滲條件，直接改變降雨入滲路徑、速率及入滲率等。

對于雙層介質而言，一定時間后，支持毛細水的分布穩(wěn)定，毛細水的上升高度達到最大值。而地下水位變動后，下層強滲透介質中的氣壓變化(出現真空或正壓)后，這直接破壞了原有的支持毛細水的分布，致使支持毛細水重分布。一方面，這對非飽和帶中溶質的遷移和轉化有直接影響，此外，支持毛細水的再分布將改變介質性質參數(如含水量、滲透性、給水度等)，也改變了介質的土水特征曲線，這對工程建設可研階段的工程地質問題的研究具有重要意義。

雙層介質中地下水位變化后，水-氣相互驅動過程復雜，研究難度大，如果采用計算機模擬作為研究手段，不便于認識介質中空氣壓力隨時間演化的全過程，無法量測和捕捉重要的試驗現象和水文地質信息，對水文地質概念模型進行概化后，計算結果模棱兩可，給人們對包氣帶水-氣相互作用機理的認識和研究帶來很大的難度。

發(fā)明內容

本發(fā)明同時兼顧了空氣流對注、排水過程的影響，將為水-氣二相流的研究提供直接的實驗數據。通過對試驗數據深入分析，結合本學科相關理論，揭示包氣帶中水氣二相流的動力學規(guī)律，探究雙層介質中地下水變動過程對空氣流的壓力變化規(guī)律，水-氣作用對毛細上升高度、上升速率等的影響。本發(fā)明根據相似模擬的原理，以自然界的雙層介質作為模擬對象，研究地下水位升降下，雙層介質包氣帶中水-氣相互驅動的機理和過程，研究在這個過程中支持毛細水的重分布過程，這為研究雙層介質的水-氣相互作用提供了一種有效的技術手段，對水文地質學科的發(fā)展有一定的推動作用。

本發(fā)明提供的一種雙層介質水氣二相流模擬實驗裝置，其特征在于：包括具有開口的容器，所述容器為模擬槽，所述模擬槽中對稱設置有兩塊與所述模擬槽的槽底垂直的第一隔板，所述第一隔板下部有透水孔；兩個所述第一隔板將所述模擬槽分割成三個腔室，兩側的腔室為地表水體模擬腔，中間的腔室為模擬箱；