用于研究多孔介质内流体运移渗透的多功能实验仪

本发明属于研究流体流经多孔介质特性领域，具体涉及用于研究多孔介质内流体运移渗透的多功能实验仪。

背景技术：

1、水肥一体化是根据实践经验科学耦合水和肥料的一项综合技术，在植物工厂建设中发挥着重要的作用。有效的水肥耦合可以创造极高的经济效益。

2、水肥混合物在土壤中的迁移过程可以概念化为非均质多孔介质中溶质的惰性或反应性流动和迁移，研究多孔介质中的流动和溶质输运的三个主要挑战为：非均质性，多尺度性和不确定性。对于水肥混合物在土壤中的迁移过程的数值模拟化研究的出点在于构建一个能够等效替代土壤等理想化多空介质，其能够尽可能在计算机中等效还原土壤在有水肥混合物在内部运移和渗透时候的性质，从而做到以较低的计算成本替换耗时高成本的大田实验，从而为实现平衡水肥资源利用效率提供建设性建议。

3、在数值模拟研究的领域，在对土壤水肥运移特性进行数值模拟的主流的研究工具采用的是免费软件hydrus，其对于饱和土壤内的渗透流以达西定律为主要理论基础，而对于非饱和土壤内的渗透流则以理查兹方程为主要理论基础。目前，主流的土壤水肥渗透运移特性数值模拟主要的困境，在于计算精度和计算成本、计算精度和研究深度、求解器使用范围和求解器求解精度之间的矛盾。主流的基于hydrus模拟，在研究深度、计算成本上具有一定的优势，但在计算精度上略有欠缺；自主研发的程序代码在计算精度和研究深度上具有优势，但在适用范围上有严重的缺陷。

4、此外，最为重要的一点在于，当多孔介质中的流动其雷诺数约大于10时，流体在多孔介质流动的惯性效应会变得显著。此时，为了追求数值模拟结果的高精度，以理查兹方程为主要理论基础的理论体系会用福克海默项来描述惯性效应，以达西-福克海默方程的形式来涵盖粘性阻力和惯性阻力对于在多孔介质中运移渗透的流体的影响，而基于fluent的数值模拟采用原理相近的ergun方程来描述上诉粘性阻力和惯性阻力对于在多孔介质中运移渗透的流体的影响。相对而言，基于fluent的数值模拟在处理带有惯性效应的科学问题时，在学习成本上面略带优势。

5、在搭建验证实验台方面，现有的研究水肥在土壤或无土基质研究设备具有一定的特异性和规模臃肿等结构方面的局限性。现阶段为了契合研究的精度，目前主的研究团队都致力于大田实验，而涉及到实验室内小规模实验则表现处极强的特异性：一个研究问题就要有一个专门的实验设备，无法做到一个设备能够适用于多种验证场景。这些问题都是本发明致力于寻求改进的。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供种用于研究多孔介质内流体运移渗透的多功能实验仪能够适用于多种验证场景。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种用于研究多孔介质内流体运移渗透的多功能实验仪，包括装置主体、用于支撑装置主体的限位板和用于支撑装置主体的支撑柱；

4、所述装置主体包括设置在顶部的分体管顶部增高环、设置在低部的分体底管以及叠放在顶部增高环和分体底管之间的若干个分体管；所述分体管顶部增高环带有用于读取渗流初始液面的刻度；所述分体管具有不同高度且侧面开孔或不开孔的多种规格，能够根据实验要求自定义研究土壤/基质的深度；分体管的侧面开孔用于设置侵入式的的测量设备；所述分体底管的底端设置有用于控制底部连通大气压以及用于控制底部液体流出的盖子；

5、所述分体管顶部增高环与分体管、分体管之间、分体管与分体底管均通过连接环进行连接，并通过楔子配合连接环进行加固、密封；所述连接环和分体管底部还能够内置纱布来作为基质的托底；分体底管设置在限位板上，限位板上开设有与盖子尺寸形状相同的孔洞并通过孔洞通过与盖子的配合对分体底管进行限位；支撑柱固定连接在限位板的下方。

6、作为本发明的优选方案，所述分体管具有高分别为5cm、10cm、20cm且侧面开孔的三种规格以及高分别为5cm、10cm、20cm且侧面不开孔的三种规格。

7、作为本发明的优选方案，分体管顶部增高环的下端、分体底管的上端和分体管的上下两端均设置有外螺纹，连接环的两端设置有与外螺纹配合的内螺纹。

8、作为本发明的优选方案，在连接环与分体管顶部增高环、分体底管以及分体管的螺纹配合处缠有防水胶布进一步地提升了分体管的密封性。

9、作为本发明的优选方案，限位板的四周开设有螺孔，支撑柱与限位板接触的一端开设有螺纹孔，限位板与支撑柱通过螺钉固定。

10、本发明还提供了一种用于研究多孔介质内流体运移渗透的多功能实验仪的工作方法，包括以下步骤：

11、1)根据实验的要求，选择不同规格的分体管、分体管底部和连接环的连接方式、所需配件以及检测设备；

12、2)自下而上依次将支撑柱、限位板、分体底管、分体管和分体管顶部增高环进行组装；其中第一层分体管通过连接环与分体底管连接，此时，分体底管的顶面就是第一层分体管的底面，在分体管底面上铺设实验所需比例的基质直至实验方案确定比例的基质填满至分体管边缘最高处的切面之上；随着基质的铺设，将对应的检测设备通过分体管的侧面开孔埋设进分体管内部；之后的分体管重复此铺设操作；

13、3)组装好所述的多功能实验仪后，通过蠕动泵从分体管顶部增高环的顶部进行流体的输入，从而进行各项实验的展开。

14、作为本发明的优选方案，当实验为土壤孔隙率测定时，步骤3)中调节蠕动泵，以恒定流量q从分体管增高环处通入液体，并从分体底管处开始收集从底部渗出的液体，并间隔记录底部收集液体质量的增量，当测量得到的间隔时间内液体质量的增量维持恒定时，关闭蠕动泵并结束实验，记录实验所用的总时间t和底部收集液体的总质量m；孔隙率ε通过公式计算，其中ρ为液体的密度。

15、作为本发明的优选方案，当实验为ergun方程参数的矫正时，步骤1)中选择侧面开孔的分体管，连接环和分体管底部均选择无内置纱布的连接方式；步骤3)中在蠕动泵可调的流量范围中选择5-22个等间距的流量值从小到大调高流量，待从分体底管流出的流体体积不再随着时间变化后，测定分体管中特定位置的土壤水势，将不同流速下的压降用二次函数模拟进行拟合，并根据ergun方程标定无量纲参数a和b，具体公式如下：

16、

17、其中，ε为基质的孔隙率；deq为基质的平均粒径；δp为压降；δl为基质内的水势采样点的间距；μ为流体的动粘度，vs为流体的流速；ψ为基质的球形度。

18、作为本发明的优选方案，当实验为土壤渗流实验时，步骤1)中选取微小土壤张力计用于测量土壤水势，选取土壤温度测量仪测量温度，选取土壤含水率仪测量土壤含水率，选取土壤电导率仪测量电导率；步骤3)按特定的间隔时间通过预先埋设的测量设备进行一次数据的读取和记录；

19、作为本发明的优选方案，当检测土壤墒情的目标为精准测定特定截面的土壤电导率时，步骤1)中连接环和分体管底部均设置有纱布；步骤3)保持蠕动泵在分体管增高环顶部进行的灌溉，待到测量得到的间隔时间内液体质量的增量维持恒定且间隔时间内液体的电导率维持温度时，直接进行实验设备的拆卸和组装，将需要精准测定特定截面所在的分体管以下的其他分体管移除，并以该分体管为一号管重新组装，对底部流出的流体进行数据的读取和记录。

20、与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

21、本发明不同尺寸的分体管之间可以通过连接环进行自由的连接，从而根据实验要求自定义研究土壤/基质的深度；由于不同深度的分体管拥有随时能作为独立底部的特性，使本装置能由深向浅定量的截取通过不同深度截面的流体通量，并用于诸如电导率等的测定；由于单独分体管每一个的深度并不高，使得在实验前铺设混合基质的时候，能够轻松地做到基质的均匀混合；同时，由于该设备侧面能够开孔，且底面可以自由选取的特性，能够使得相关的土壤或基质的墒情的测定可以尽可能地以非侵入式地方式进行测定，使得为了使模型符合理论合理性的前提下，能够尽可能地缩短实验仪器的体积。