СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТИ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ

Полезная модель относится к области гидравлики и может быть использована при проведении лабораторных исследований фильтрации грунтовых вод.
Известен стенд для изучения фильтрации грунтовых вод в лабораторных условиях. Стенд или фильтрационный лоток содержит станину, опирающийся на нее лоток с верхней и нижней камерами, шаровую и винтовую опоры, водонапорный бак, сообщенный с верхней камерой посредством шланга и подающего вентиля и выпускного вентиля, установленного на нижней камере. Днище лотка имеет патрубки с отверстиями для подсоединения пьезометров (Мелиорация: Энцикл. Справочник /Редкол.: И.П.Шамякин (гл. ред.) и др.; Под общ. ред. А.И.Мурашко. - Мн.: Белорус. Сов. Энцикл., 1984. - 567 с.)
Недостатком стенда является трудоемкость работ по обслуживанию стенда (при загрузке и выгрузке грунта из лотка), ограниченная возможность в проведении исследований фильтрации, так как движение грунтовых вод нельзя наблюдать визуально, а можно только судить о нем по показаниям пьезометров, измеряющих давление воды в основании грунтового массива и по расходу воды, протекающей через грунт и изливающейся через выпускной кран.
Полезная модель решает задачу снижения трудоемкости обслуживания стенда при демонстрации процессов фильтрации, расширения демонстрационных возможностей стенда путем визуализации процессов при проведении исследований фильтрации, что позволяет вести непрерывную или дискретную его фиксацию показателей с последующей обработкой и расшифровкой полученной информации.
Необходимый технический результат достигается тем, что в известном стенде для моделирования фильтрации жидкости в грунтах, состоящем из станины, лотка с верхней и нижней камерами, шаровой и винтовой опор, водонапорного бака, сообщенного с верхней камерой посредством шланга, подающего и выпускного вентиля, лоток выполнен в виде сдвоенной рамы, передняя и задняя части которой соединены шарниром и стягиваются между собой болтами, рама установлена с возможностью поворота относительно продольной ее оси на прямой угол и фиксацией крайних положений, верхняя и нижняя камеры лотка выполнены в виде вкладышей из мелкой сетки, обладающих жесткостью, напорный бак выполнен в виде двух емкостей, соединенных тройником, причем боковые стенки лотка выполнены из прозрачного материала.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена фронтальная проекция стенда при моделировании фильтрации воды в грунте под гидротехническим сооружением в виде непроницаемой (бетонной) плотины, на фиг.2 - то же, разрез по А-А, на фиг.3, вид по стрелке В.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - станина;
2 - модель непроницаемой среды;
3 - патрубки;
4 - сложный шарнир;
5 - упорная стойка лотка;
6 - опорная пята;
7 - регулировочный винт;
8 - стойки напорных баков;
9 - шланг напорных баков;
10 - вентили напорных баков;
11 - секции напорного бака;
12 - тройник шланга секций напорного бака;
13 - верхняя камера;
14 - передняя часть рамы;
15 - уровень воды в верхнем бьефе;
16 - модель фильтрующей среды;
17 - модель гидротехнического сооружения (плотины);
18 - уровень воды в нижнем бьефе;
19 - нижняя камера;
20 - вентиль сливного бака;
21 - поворотно-фиксирующий элемент;
22 - шланг сливного бака;
23 - стойка сливного бака;
24 - сливной бак;
25 - задняя часть рамы;
26 - боковые стенки из прозрачного материала;
27 - уплотнительная прокладка.
Моделирование фильтрации в пористой среде на предлагаемом стенде покажем на примере фильтрации в проницаемом грунте, залегающем в основании непроницаемой (бетонной) плотины (фиг.1). Стенд, представляющий собой лоток, выполненный в виде сдвоенной рамы, состоящей из передней 14 и задней 25 частей с прозрачными боковыми стенками, соединенных сложными шарнирами 4 и стяжными болтами (на чертеже не показаны) и опирающейся посредством поворотно-фиксирующих элементов 21 и упорных стоек 5 на станину 1, которая в свою очередь опирается через шаровую опору и регулировочные винты 7 на опорные пяты 6, расположенные на фундаменте.
Модель грунтового массива, состоящего из водонепроницаемого слоя 2 и проницаемого слоя 16. а также модель плотины 17, верхняя 13 и нижняя 19 камеры, выполненные в виде вкладышей из мелкой сетки и обладающие жесткостью, устанавливаются в лоток при положении, показанном на фиг.3. При этом передняя часть 14 рамы находится в вертикальном положении, а задняя 25 - в горизонтальном.
Проницаемый слой выполняют из поролона с необходимыми фильтрационными свойствами, а непроницаемый слой - из мягкой резины, проклеивая контакт между ними водостойким клеем. Модель плотины выполняют из резины с расчетом, чтобы она удерживалась силами трения при воздействии гидростатического давления со стороны верхнего бьефа с уровнем 15 воды в нем. Затем переднюю часть 14 рамы поворачивают в горизонтальное положение и соединяют болтами с задней частью 25 рамы, после чего раму приводят в вертикальное положение (фиг.1), которое фиксируется элементом 21.
Шланг 9 секций 11 напорного бака посредством вентилей 10 и тройника 12 соединяют с нужным патрубком 3 с левой стороны рамы, а шланг 22 сливного бака 24 посредством вентиля 20 - с нужным патрубком 3 правой стороны. Остальные патрубки 3 подсоединяют к пьезометрам, а не используемые в данном эксперименте закрывают заглушками. Секции 11 напорного бака поднимают на требуемую высоту и закрепляют на стойках 8. Сливной бак 24 устанавливают на необходимой высоте на стойках 23.
При открывании вентиля 10 на одной из секций 11 напорного бака, заполненной водой, производят заполнение верхнего бьефа модели до уровня 15, которое выполняют до тех пор, пока в нижнем бьефе модели не установится требуемый уровень 18. Далее уровни 15 и 18 поддерживают с помощью вентилей 10 и 20 соответственно, создавая тем самым условия установившегося режима фильтрации, при котором снимаются показания пьезометров. Для изучения перемещения фронта фильтрации и определения линий равных напоров используют подкрашенную воду, содержащуюся в другой секции напорного бака 11, для чего вентиль 10 на баке с водой закрывают, а вентиль на секции с подкрашенной водой открывают. Благодаря прозрачным боковым стенкам лотка процесс перемещения фронта замены воды подкрашенной водой становится видимым, и его фиксируют в режиме реального времени на видеокамеру. При расшифровке видеоматериалов с учетом времени строят линии равных напоров (на фиг.1 показаны линии перемещения фронта фильтрации и направление движения грунтовых вод, аналогичные полученным методами гидродинамической сетки и электро-гидродинамических аналогий).
Для моделирования грунта можно использовать как синтетический материал с требуемыми фильтрационными характеристиками, так и естественный мелкодисперсный материал с подобранными фильтрационными характеристиками. При использовании естественного материала объем работ по загрузке и выгрузке лотка существенно снижается, так как ширина лотка выбирается такой, при которой силы поверхностного натяжения значительно меньше сил гравитации. При этом ширина лотка составляет всего несколько сантиметров.
Таким образом, благодаря тому, что лоток выполнен в виде сдвоенной рамы, передняя и задняя части которой соединены сложным шарниром и стягиваются между собой болтами, рама выполнена с возможностью поворота относительно продольной ее оси на прямой угол и фиксацией крайних положений, верхняя и нижняя камеры лотка выполнены в виде вкладышей из мелкой сетки, обладающих жесткостью, напорный бак выполнен в виде двух емкостей, соединенных тройником, причем боковые стенки лотка выполнены из прозрачного материала обеспечивается расширение возможностей стенда в проведении исследований фильтрации и становится возможной визуализация самого процесса, что позволяет вести непрерывную или дискретную его фиксацию с последующей обработкой и расшифровкой полученной информации. Помимо использования при выполнении исследований стенд будет полезным в учебном процессе именно благодаря тому, что фильтрацию можно непосредственно наблюдать.