Л.Л. Моисеев Изучение фильтрации жидкости

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Знакомство с явлением фильтрации жидкости в грунте, определение опытным путем коэффициента фильтрации при ламинарном режиме равномерного напорного движения.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1.Фильтрация Фильтрацией называется движение жидкости (капельной или газа)

через пористые материалы по каналам-капиллярам между отдельными частицами. Примерами являются приток грунтовых вод к колодцам, движение нефти в пластах, инфильтрация воздуха через ограждающие строительные конструкции.

Величина фильтрующего расхода зависит от свойств жидкости и структуры материала (размеров пор, их форм и пр.). Вследствие изменений сечения капилляров, неоднородности пор, неравномерности их распределения в материале скорости движения жидкости в каналах могут быть весьма различными.

Поэтому для описания фильтрации принято пользоваться понятием “идеального материала”, т.е. такого материала, сечения капиллярных каналов которого принимаются цилиндрическими, а сами каналы параллельны между собой.

Движение жидкости может быть установившимся и неустановившимся, равномерным и неравномерным, напорным и безнапорным, ламинарным и турбулентным. Фильтрация большей частью происходит при ламинарном режиме, когда расход и скорость связаны с потерями напора линейной зависимостью.

2.2.Фильтрация при ламинарном режиме движения

где Q – фильтрационный расход;

ω - площадь сечения испытуемого образца грунта. Пьезометрический уклон при равномерном движении жидкости,

где hw – потери напора на пути фильтрации;

! - длина пути фильтрации.

Коэффициент фильтрации K представляет собой, как следует из формулы (1), скорость фильтрации при гидравлическом уклоне, равном единице. Он характеризует физические свойства пористой среды в отношении ее водопроницаемости и зависит, главным образом, от величины и формы зерен, от рода фильтрующейся жидкости и ее температуры.

Коэффициент фильтрации измеряется в тех же единицах, что и скорость (м/с). При фильтрации воды через мелкозернистый песок

К = 1 10− 4 − 2 10− 4 м / с.

Скорость фильтрации υ меньше фактической скорости движения жидкости, так как площадь фильтрации ω включает как поры, так и непроницаемые частицы.

Потеря напора на пути фильтрации может быть определена по уравнению Бернулли. Для сечений 1-1 и 2-2 относительно плоскости сравнения 0-0 (рис.1) уравнение будет иметь вид

II-II.

Из уравнения (4) потеря напора

3

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

где h – разность показаний пьезометров, установленных на границах участка, на котором определяют потери напора.

Основной закон фильтрации получен опытным путем французским последователем Дарси в 1856 году.

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1.Описание лабораторной установки Лабораторная установка – прибор Дарси (рис.1) представляет собой

металлический вертикальный цилиндр, заполненный исследуемым пористым материалом (грунтом) 1, который поддерживается металлической сеткой 2. В цилиндр вмонтированы пьезометры 3. Для сохранения постоянства напора в верхней части цилиндра предусмотрен слив 4. Вода поступает в верхнюю часть цилиндра через вентиль 5.

Профильтрованная жидкость сливается по трубе 6, имеющей вентиль 7 для регулирования фильтрационного расхода, в мерный бак 8, оборудованный сливным вентилем 9 и пьезометром 10.

4

3.2. Порядок проведения опыта 1. Откройте вентиль 5 и заполните водой цилиндр 1 с

исследуемым грунтом.

2.Проверьте отсутствие пузырьков воздуха в пьезометрах 3. Если при закрытом кране 7 уровни в пьезометрах 3 одинаковы, то воздух отсутствует.

3.Откройте вентиль 7 и после стабилизации фильтрационного расхода, когда уровень воды в пьезометре 9 будет постоянный, замерьте с помощью мерного бака и секундомера фильтрационный расход жидкости. Запишите разность показаний пьезометров 3.

4.Вентилем 7 измените фильтрационный расход и повторите измерения.

5.Данные замеров внесите в табл. 1.

3.3. Обработка экспериментальных данных По данным опыта (табл. 1) проводим вычисление требуемых

величин.

1. Объем воды, вытекшей за время опыта:

W = S∆ h,

где S – площадь мерного бака;

∆ h = h1 – h0 – приращение уровня воды в мерном баке за время наблюдения;

h0 – уровень воды в мерном баке в начале опыта; h1 – уровень воды в мерном баке в конце опыта.

2. Секундный фильтрационный расход

Q = Wτ ,

где τ - продолжительность опыта.

3.По формуле (2) определяем скорость фильтрации.

4.По разности показаний пьезометров определяем потери напора и вычисляем пьезометрический уклон по формуле (3).

5.Определяем коэффициент фильтрации по формуле

K = υi .

6. Все данные заносятся в табл. 2.

5

3.4. Контрольные вопросы

1. Что называется фильтрацией жидкости?

2.Основной закон ламинарной фильтрации.

3.Что представляет собой прибор Дарси?

4.Коэффициент фильтрации, его физический смысл и размерность.

5. Скорость фильтрации больше или меньше действительной скорости движения жидкости?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Альтшуль А. Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика. – М.: Стройиздат, 1975. – 323 с.

2. Гидравлика, водоснабжение, канализация /В.Н. Калицун, В.С.Кедров, Ю.М. Месков, П.В. Споронов. – М.: Стройиздат, 1980. – 280с.

6

Составители Лев Львович Моисеев

Владимир Прокопьевич Рындин

ИЗУЧЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТИ

Методические указания к лабораторной работе по курсу “Механика жидкости и газа” для студентов направления 550100

“Строительство”

Редактор Е.Л. Наркевич

ЛР № 020313 от 23.12.96

Подписано в печать.10.12.99. Формат 60 х 84/16.

Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 0,6. Тираж 75 экз. Заказ Кузбасский государственный технический университет.

650026, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография Кузбасского государственного технического университета. 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.