一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法技术方案

技术编号:33200716 阅读:31 留言:0更新日期:2022-04-24 00:37
本发明专利技术提供了一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法,系统包括:加载结构、多相流驱替模型桶、数据采集分析系统、柔性渗流模型桶、动力控制系统,基于热蒸驱替过程中热量与蒸汽的先后及叠加施加需求,对三维多场多相介质内污染物驱替过程中的多参数测试方法进行合理配置,结合柔性壁渗流过程中的水头差控制和污染物对设备的无害化测试需求,采用水头、气压两端分别施加等方式;本发明专利技术的效果是该系统能够开展热蒸驱替过程中试样变形的阵列式测量,能够测定试验过程中试样的温度场、电导率场、水分场、基质吸力分布、土压力分布、孔隙水压力分布和污染物排出速率;还能够实现水头双向控制的柔性壁渗透三轴试验,并克服污染液对试验设备的影响。备的影响。备的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法


[0001]本专利技术属于土工测试
,特别涉及一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法。

技术介绍

[0002]现有技术中,由于化石燃料的燃烧、石油的泄漏、工业污水与污泥的农用、工农业固体废物的堆放以及农药的广泛使用,致使邻苯二甲酸酯、有机氯农药等有机污染物直接或间接进入土壤,并因脂溶性易被土壤颗粒吸附而长时间残留于土壤中。该类有机物中包含有多种致癌、致畸或致突变物质,存留于土壤中会造成农作物减产甚至绝收,还会通过植物或动物进入食物链,给人类生存和健康带来严重影响;同时,污染物还会改变工程地基性质,给污染土地基上的工程造成损伤、破坏,并给建筑使用者带来健康威胁。因此,开展土壤有机污染物的修复和治理,对于保障农业生产和工程建设及生态环境安全具有重要的工程与社会价值。而被采用的用来解决上述问题的热蒸驱替技术中,热蒸驱替过程的模拟必须具备热、力施加和观测两类功能,且需保证各测试功能能够独立运行,现有的热蒸驱替设备一般无法对土层施加一定的竖向力,影响一定埋置深度下污染物的驱替模拟效果。同时,现有的柔性壁三轴试样试验存在:

无法将渗流过程中带出的污染液有效隔离,会极大损害测试设备的功能;

不考虑水头差和水头压力同时对渗透性能测试的影响,获取的结果无法用于垃圾坝在上下水头作用下的可靠分析;

无法对渗流变形进行定量表征或者不考虑渗流变形,无法满足流固耦合变形问题研究。
[0003]也即,对于实现对有机污染土受力状态下的多场多相过程模拟,特别是大型高垃圾填埋场的力学问题分析,还存在无法将渗流过程中带出的污染液有效隔离和不考虑水头差和水头压力同时对渗透性能测试的影响,获取的结果无法用于垃圾坝在上下水头作用下的可靠分析,以及无法对渗流变形进行定量表征或者不考虑渗流变形,无法满足流固耦合变形问题研究等技术问题;
[0004]可见,对于实现对有机污染土受力状态下的多场多相过程模拟,特别是大型高垃圾填埋场的力学问题分析提出有效的解决方案,是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供的一种多相流圆柱模型试验系统,以至少解决上述技术问题;
[0006]为了解决上述问题,本专利技术的第一方面提供一种多相流圆柱模型试验系统,该系统包括:加载结构、多相流驱替模型桶、数据采集分析系统、柔性渗流模型桶、动力控制系统,其特征是:所述加载结构呈门架式,由底部的T形滑道底座、顶部的连接轴、两侧的丝杠和导向轴组成,水平横梁加载机构随两侧丝杠和导向轴上下移动对多相流驱替模型桶施加荷载,所述丝杠外围设置有导向轴以引导水平横梁加载机构在固定方向上移动;两侧的丝杠和导向轴的外部通过型材包裹,通过柔性百叶连接型材将水平横梁加载机构的上下部分封闭;所述水平横梁加载机构的下表面设置有力传感器和位移传感器以观测多相流驱替模
型桶内试样的加载力和位移;所述水平横梁加载机构下端对称设置有个吊环以供多相流驱替模型桶、加载盖板、气压保护板的起吊;T形滑道底座呈T字形,上部设置有根滑动条以使所述多相流驱替模型桶在滑动条上前后滑动,所述滑动条两端设置有挡钉;所述多相流驱替模型桶是上下部均可拆卸的桶状空腔体,其侧壁表面开有列行共计个玻璃视窗,所述多相流驱替模型桶的底板轴心布置有根热蒸驱替管,底板其余位置围绕轴心布置的热蒸驱替管散射布置有两圈共计根热蒸驱替管以实现对试样的加热和流体的抽吸,所述外圈热蒸驱替管与内圈热蒸驱替管之间或内圈热蒸驱替管与轴心位置热蒸驱替管之间的间距相等;所述底板边缘通过螺栓与多相流驱替模型桶下部相连接;所述底板设置有贯通内外的排水通道,底板的上部设置有透水板以便于热蒸驱替过程中形成的液体通过透水板汇集后经过排水通道排出;所述多相流驱替模型桶顶部设置有气压保护板,其边缘通过螺栓与多相流驱替模型桶相连接;所述气压保护板的上部关于中心对称布置有充压阀和泄压阀,用于多相流驱替模型桶内部压力的填充和压力过大时的自动泄压;所述多相流驱替模型桶内部试样顶面设置有加载盖板;加载盖板侧壁采用C字形滚珠滑动机构与多相流驱替模型桶相接触以保证施加荷载过程中加载盖板能够在多相流驱替模型桶内壁上下滑动,加载盖板下部通过柔性胶垫与试样相接触,加载盖板的上部周边设置有弧形密封片以实现加载盖板、多相流驱替模型桶和气压保护板之间形成空间的密封,通过动力控制系统经过充压阀对加载盖板、多相流驱替模型桶和气压保护板之间的密封空间进行充压以保证弧形密封片与多相流驱替模型桶内壁的紧密贴合保证密封效果;加载盖板的上部轴心设置有加载杆和内置力传感器,加载杆上端贯穿气压保护板的直线轴承与加载结构的力传感器和位移传感器相连接,加载杆下端通过内置力传感器与加载盖板相连接;所述多相流驱替模型桶底部散射布置的热蒸驱替管具有电加热、温度测试和充吸气功能,能够随机调节任一管路加热和气体控制功能的开关,所述多相流驱替模型桶侧壁中间部位设置有泄压阀以便于多相流驱替模型桶内压力超限时的自动泄压;所述多相流驱替模型桶表面个玻璃视窗外部设置有LED环形照明、相机和遮光罩以提供稳定的测试光源并进行拍照;所述多相流驱替模型桶侧壁表面水平玻璃视窗之间的位置设施有列行共计个圆形传感器插口以便于传感器的插入;所述数据采集分析系统与多相流驱替模型桶内的试样连通。
[0007]在第一方面中,所述数据采集分析系统由采集仪和温度

电导率

含水率联合传感器、K型温度传感器、基质吸力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、相机构成;所述温度

电导率

含水率联合传感器、基质吸力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口插入试样内部并通过螺纹将传感器拧紧以保证压力室密封;所述K型温度传感器布置在热蒸驱替管的内壁侧面以监测热蒸驱替管与土样接触位置的平衡温度;将底板与多相流驱替模型桶相连接,将温度

电导率

含水率联合传感器、基质吸力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器分别按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口插入试样内部;将个相机、LED环形照明、遮光罩与多相流驱替模型桶表面的个玻璃视窗相连接;将试样分层装入多相流驱替模型桶,将加载盖板置于试样上部,将加载杆及内置力传感器与加载盖板相连接并将气压保护板与多相流驱替模型桶上部相连接,即形成所述的多相流驱替模型桶。
[0008]在第一方面中,所述柔性渗流模型桶呈圆柱形空腔体,其侧壁表面均匀开有列行共计个玻璃视窗以便于观测试验过程中试样的变形;所述柔性渗流模型桶下部与多功能底
座边缘通过螺栓相连接,上部通过螺栓与顶板相连接;所述柔性渗流模型桶的多功能底座上部设置有透水石,透水石下方底座上刻有螺旋线和贯通的排水孔,排水孔与外部的高硬度PVC量水管相连接,所述高硬度PVC量水管通过缓冲舱与动力控制系统的气压阀门相连接;所述柔性渗流模型桶的顶板中心开有贯通内外的加载孔以便于加载杆通过加载孔对试样进行加载,加载孔的上部连本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多相流圆柱模型试验系统,该系统包括:加载结构(1)、多相流驱替模型桶(2)、数据采集分析系统、柔性渗流模型桶(4)、动力控制系统(5),其特征在于:所述加载结构(1)呈门架式,由底部的T形滑道底座(11)、顶部的连接轴(12)、两侧的丝杠(13)和导向轴(14)组成,水平横梁加载机构(15)随两侧丝杠(13)和导向轴(14)上下移动对多相流驱替模型桶(2)施加荷载,所述丝杠(13)外围设置有导向轴(14)以引导水平横梁加载机构(15)在固定方向上移动;两侧的丝杠(13)和导向轴(14)的外部通过型材(131)包裹,通过柔性百叶(132)连接型材(131)将水平横梁加载机构(15)的上下部分封闭;所述水平横梁加载机构(15)的下表面设置有力传感器(16)和位移传感器(17)以观测多相流驱替模型桶(2)内试样的加载力和位移;所述水平横梁加载机构(15)下端对称设置有2个吊环(151)以供多相流驱替模型桶(2)、加载盖板(23)、气压保护板(24)的起吊;T形滑道底座(11)呈T字形,上部设置有2根滑动条(111)以使所述多相流驱替模型桶(2)在滑动条上前后滑动,所述滑动条(11)两端设置有挡钉(112);所述多相流驱替模型桶(2)是上下部均可拆卸的桶状空腔体,其侧壁表面开有4列3行共计12个玻璃视窗(21),所述多相流驱替模型桶(2)的底板(20)轴心布置有1根热蒸驱替管(22),底板(20)其余位置围绕轴心布置的热蒸驱替管(22)散射布置有两圈共计12根热蒸驱替管(22)以实现对试样的加热和流体的抽吸,所述外圈热蒸驱替管(22)与内圈热蒸驱替管(22)之间或内圈热蒸驱替管(22)与轴心位置热蒸驱替管(22)之间的间距相等;所述底板(20)边缘通过螺栓(215)与多相流驱替模型桶(2)下部相连接;所述底板(20)设置有贯通内外的排水通道(216),底板(20)的上部设置有透水板(217)以便于热蒸驱替过程中形成的液体通过透水板(217)汇集后经过排水通道(216)排出;所述多相流驱替模型桶(2)顶部设置有气压保护板(24),其边缘通过螺栓(215)与多相流驱替模型桶(2)相连接;所述气压保护板(24)的上部关于中心对称布置有充压阀(210)和泄压阀(29),用于多相流驱替模型桶(2)内部压力的填充和压力过大时的自动泄压;所述多相流驱替模型桶(2)内部试样顶面设置有加载盖板(23);加载盖板(23)侧壁采用C字形滚珠滑动机构(231)与多相流驱替模型桶(2)相接触以保证施加荷载过程中加载盖板(23)能够在多相流驱替模型桶(2)内壁上下滑动,加载盖板(23)下部通过柔性胶垫(25)与试样相接触,加载盖板(23)的上部周边设置有弧形密封片(214)以实现加载盖板(23)、多相流驱替模型桶(2)和气压保护板(24)之间形成空间的密封,通过动力控制系统(5)经过充压阀(210)对加载盖板(23)、多相流驱替模型桶(2)和气压保护板(24)之间的密封空间进行充压以保证弧形密封片(214)与多相流驱替模型桶(2)内壁的紧密贴合保证密封效果;加载盖板(23)的上部轴心设置有加载杆(26)和内置力传感器(27),加载杆(26)上端贯穿气压保护板(24)的直线轴承(28)与加载结构(1)的力传感器(16)和位移传感器(17)相连接,加载杆(26)下端通过内置力传感器(27)与加载盖板(23)相连接;所述多相流驱替模型桶(2)底部散射布置有热蒸驱替管(22),所述多相流驱替模型桶(2)侧壁中间部位设置有泄压阀(29)以便于多相流驱替模型桶(2)内压力超限时的自动泄压;所述多相流驱替模型桶(2)表面12个玻璃视窗(21),外部设置有LED环形照明(212)、相机(37)和遮光罩(213)以提供稳定的测试光源并进行拍照;所述多相流驱替模型桶(2)侧壁表面水平玻璃视窗(21)之间的位置设施有4列3行共计12个圆形传感器插口(211)以便于传感器的插入;
所述数据采集分析系统与多相流驱替模型桶(2)内的试样连通。2.根据权利要求1所述的多相流圆柱模型试验系统,其特征在于:所述数据采集分析系统由采集仪(31)和温度

电导率

含水率联合传感器(32)、K型温度传感器(33)、基质吸力传感器(34)、土压力传感器(35)、孔隙水压力传感器(36)、相机(37)构成;所述温度

电导率

含水率联合传感器(32)、基质吸力传感器(34)、土压力传感器(35)、孔隙水压力传感器(36)按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口(211)插入试样内部并通过螺纹将传感器拧紧以保证压力室密封;所述K型温度传感器(33)布置在热蒸驱替管(22)的内壁侧面以监测热蒸驱替管(22)与土样接触位置的平衡温度;将底板(20)与多相流驱替模型桶(2)相连接,将温度

电导率

含水率联合传感器(32)、基质吸力传感器(34)、土压力传感器(35)、孔隙水压力传感器(36)分别按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口(211)插入试样内部;将12个相机(37)、LED环形照明(212)、遮光罩(213)与多相流驱替模型桶(2)表面的12个玻璃视窗相连接;将试样分层装入多相流驱替模型桶(2),将加载盖板(23)置于试样上部,将加载杆(26)及内置力传感器(27)与加载盖板(23)相连接并将气压保护板(24)与多相流驱替模型桶(2)上部相连接,即形成所述的多相流驱替模型桶(2)。3.根据权利要求1所述的多相流圆柱模型试验系统,其特征在于:所述柔性渗流模型桶(4)呈圆柱形空腔体,其侧壁表面均匀开有4列3行共计12个玻璃视窗(21)以便于观测试验过程中试样的变形;所述柔性渗流模型桶(4)下部与多功能底座(41)边缘通过螺栓(215)相连接,上部通过螺栓(215)与顶板(42)相连接;所述柔性渗流模型桶(4)的多功能底座(41)上部设置有透水石(411),透水石(411)下方底座上刻有螺旋线(412)和贯通的排水孔(413),排水孔(413)与外部的高硬度PVC量水管(43)相连接,所述高硬度PVC量水管(43)通过缓冲舱(44)与动力控制系统(5)的气压阀门相连接;所述柔性渗流模型桶(4)的顶板(42)中心开有贯通内外的加载孔(421)以便于加载杆(26)通过加载孔(421)对试样进行加载,加载孔(421)的上部连接有直线轴承(28)以便于加载杆(26)沿直线轴承(28)方向上下运动;所述贯通柔性渗流模型桶(4)顶板(42)的加载杆(26)一端与内置力传感器(27)相连接,...

【专利技术属性】
技术研发人员:薛强陈之祥万勇魏明利李江山刘磊陈亿军李源
申请(专利权)人:江苏中宜生态土研究院有限公司
类型:发明
国别省市:

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