способ определения зависимости коэффициента проницаемости пластически деформируемого пористого материала как функции от массового содержания и давления жидкости
Классы МПК: | G01N15/08 определение проницаемости, пористости или поверхностной площади пористых материалов |
Автор(ы): | Славнов Евгений Владимирович (RU), Петров Илья Андреевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2013-04-01 публикация патента:
27.07.2014 |
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при измерении проницаемости пористых пластически деформируемых материалов для жидкости. Способ заключается в том, что образец помещают в замкнутую цилиндрическую полость между поршнем, создающим давление, и проницаемым для жидкости дном. Задают исследуемые уровни давления, для каждого из которых создают циклическое силовое нагружение образца давлением. Используя выбранное давление для выключения нагружения и давление, равное 0,85-0,95 выбранного давления, для включения нагружения, регистрируют во времени изменение длины образца и временной промежуток снижения давления на цикле разгрузки, а также объем отжатой жидкости. Затем вычисляют коэффициент проницаемости на цикле по формуле , на каждом цикле определяют остаточное массовое содержание жидкости в образце по формуле
; где , mобi=mоб0-mi, u жi=Sn·(li-l1), m i= ж·uжi
Р - исследуемый уровень давления, P1=0,85Р÷0,95Р - минимальное давление, Sn - площадь поршня, l1 - длина образца в начале 1-го цикла,
li-1 - длина образца в начале i-го цикла, li - длина образца в конце i-го цикла, t0i - время начала снижения давления на i-ом цикле, tki - время конца i-го цикла, m об0 - начальная масса образца, mобi - масса образца на i-ом цикле, ж - плотность отфильтрованной жидкости, u жi - суммарный объем отфильтрованной жидкости до i-го цикла, mi - масса отжатой жидкости до i-го цикла, С0 - исходное массовое содержание жидкости, Сi - текущее массовое содержание жидкости на i-ом цикле, i - изменяется от 1 до k, k - номер цикла, на котором выполняется условие (K ф(k-1)-Kфk)/Kфk 0,01. Затем по полученным значениям коэффициента проницаемости и массового содержания жидкости на всех выбранных уровнях давления определяют зависимость коэффициента проницаемости как функцию от массового содержания жидкости и уровня давления. Техническим результатом является возможность получения характеристик для пластически деформируемого пористого материала в широком диапазоне давлений при изменении массового содержания жидкости, в частности в процессе отжима жидкости из материала, повышение точности измерения. 3 ил.
Формула изобретения
Способ определения зависимости коэффициента проницаемости пластически деформируемого пористого материала как функции от массового содержания и давления жидкости, в процессе отжима жидкости из материала, включающий нагружение образца из этого материала давлением и измерение объема жидкости, отжатой в единицу времени, отличающийся тем, что образец помещают в замкнутую цилиндрическую полость между поршнем, создающим давление, и проницаемым для жидкости дном, задают исследуемые уровни давления, для каждого из которых создают циклическое силовое нагружение образца давлением, используя выбранное давление для выключения нагружения и давление, равное 0,85-0,95 выбранного давления, для включения нагружения, регистрируют во времени изменение длины образца и временной промежуток снижения давления на цикле разгрузки, а также объем отжатой жидкости, и вычисляют коэффициент проницаемости на цикле по формуле
,
на каждом цикле определяют остаточное массовое содержание жидкости в образце по формуле
;
где , mобi=mоб0-mi, u жi=Sn·(li-l1), m i= ж·uжi
Р - исследуемый уровень давления,
P1=0,85Р÷0,95Р - минимальное давление,
Sn - площадь поршня,
l 1 - длина образца в начале 1-го цикла,
li-1 - длина образца в начале i-го цикла,
li - длина образца в конце i-го цикла,
t0i - время начала снижения давления на i-ом цикле,
tki - время конца i-го цикла,
mоб0 - начальная масса образца,
mобi - масса образца на i-ом цикле,
ж - плотность отфильтрованной жидкости,
uжi - суммарный объем отфильтрованной жидкости до i-го цикла,
mi - масса отжатой жидкости до i-го цикла,
С0 - исходное массовое содержание жидкости,
Сi - текущее массовое содержание жидкости на i-ом цикле,
i - изменяется от 1 до k,
k - номер цикла, на котором выполняется условие
(Kф(k-1)-Kфk)/Kфk 0,01
по полученным значениям коэффициента проницаемости и массового содержания жидкости на всех выбранных уровнях давления определяют зависимость коэффициента проницаемости как функцию от массового содержания жидкости и уровня давления.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при измерении проницаемости пористых пластически деформируемых материалов для жидкости.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения зависимости коэффициента проницаемости пористого материала как функции давления жидкости, в процессе фильтрации жидкости через материал, включающий нагружение образца из этого материала давлением и измерение объема жидкости, отфильтрованной в единицу времени (см. патент RU 2434223, опубл. 20.11.2011).
Недостатком его является невозможность определения проницаемости в условиях пластической деформации пористого материала и изменение массового содержания жидкости, узкая сфера использования.
Технической задачей предлагаемого решения является возможность получения характеристик для пластически деформируемого пористого материала в широком диапазоне давлений при изменении массового содержания жидкости, в частности в процессе отжима жидкости из материала, повышение точности измерения.
Для этого предлагается способ определения зависимости коэффициента проницаемости пластически деформируемого пористого материала как функции от массового содержания и давления жидкости в процессе отжима жидкости из материала, включающий нагружение образца из этого материала давлением и измерение объема отжатой жидкости, при этом образец помещают в замкнутую цилиндрическую полость между поршнем, создающим давление, и проницаемым для жидкости дном, задают исследуемые уровни давления, для каждого из которых создают циклическое силовое нагружение образца давлением, используя выбранное давление для выключения нагружения и давление, равное 0,85-0,95 выбранного давления, для включения нагружения, регистрируют во времени изменение длины образца и временной промежуток снижения давления на цикле разгрузки, а также объем отжатой жидкости, и вычисляют коэффициент проницаемости на цикле по формуле
,
на каждом цикле определяют остаточное массовое содержание жидкости в образце по формуле
;
где , mобi=mоб0-mi, u жi=Sn·(li-l1), m i= ж·uжi
Р - исследуемый уровень давления,
Р1=0,85Р÷0,95Р - минимальное давление,
Sn - площадь поршня,
l1 - длина образца в начале 1-го цикла,
li-1 - длина образца в начале i-го цикла,
li - длина образца в конце i-го цикла,
t0i - время начала снижения давления на i-ом цикле,
tki - время конца i-го цикла,
mоб0 - начальная масса образца,
mобi - масса образца на i-ом цикле,
ж - плотность отфильтрованной жидкости,
uжi - суммарный объем отфильтрованной жидкости до i-го цикла,
mi - масса отжатой жидкости до i-го цикла,
C0 - исходное массовое содержание жидкости,
Сi - текущее массовое содержание жидкости на i-ом цикле,
i - изменяется от 1 до k,
k - номер цикла, на котором выполняется условие
(Kф(k-1)-Kфk)/K фk 0,01
по полученным значениям коэффициента проницаемости и массового содержания жидкости на всех выбранных уровнях давления определяют зависимость коэффициента проницаемости как функцию от массового содержания жидкости и уровня давления.
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что образец помещают в замкнутую цилиндрическую полость между поршнем, создающим давление, и проницаемым для жидкости дном, задают исследуемые уровни давления, для каждого из которых создают циклическое силовое нагружение образца давлением, используя выбранное давление для выключения нагружения и давление, равное 0,85-0,95 выбранного давления, для включения нагружения, регистрируют во времени изменение длины образца и временной промежуток снижения давления на цикле разгрузки, а также объем отжатой жидкости, и вычисляют коэффициент проницаемости на цикле по формуле
,
на каждом цикле определяют остаточное массовое содержание жидкости в образце по формуле
;
где , mобi=mоб0-mi, u жi=Sn·(li-l1), m i= ж·uжi
Р - исследуемый уровень давления,
P1=0,85Р÷0,95Р - минимальное давление,
Sn - площадь поршня,
l1 - длина образца в начале 1-го цикла,
li-1 - длина образца в начале i-го цикла,
li - длина образца в конце i-го цикла,
t0i - время начала снижения давления на i-ом цикле,
tki - время конца i-го цикла,
mоб0 - начальная масса образца,
mобi - масса образца на i-ом цикле,
ж - плотность отфильтрованной жидкости,
uжi - суммарный объем отфильтрованной жидкости до i-го цикла,
mi - масса отжатой жидкости до i-го цикла,
С0 -исходное массовое содержание жидкости,
Сi - текущее массовое содержание жидкости на i-ом цикле,
i - изменяется от 1 до k,
k - номер цикла, на котором выполняется условие
(Kф(k-1)-Kфk)/K фk 0,01
по полученным значениям коэффициента проницаемости и массового содержания жидкости на всех выбранных уровнях давления определяют зависимость коэффициента проницаемости как функцию от массового содержания жидкости и уровня давления.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Известно, что для пористых сред ж=KфgradP (см. закон Дарси [1]), где ж - скорость истечения жидкости через единичную поверхность, grad P - градиент давления. Для пластически деформируемых сред коэффициент проницаемости зависит от остаточного массового содержания жидкости и уровня давления Кф(С, Р). По предлагаемому способу его можно определить.
Образец из пористого материала помещают в замкнутую цилиндрическую полость между поршнем, создающим давление, и проницаемым для жидкости дном. В исследуемом диапазоне задают уровни давления. Для каждого из заданных уровней создают циклическое силовое нагружение образца давлением. При этом используя выбранное давление для выключения нагружения и давление, равное 0,85-0,95 выбранного давления, для включения нагружения, регистрируют во времени изменение длины образца и временной промежуток снижения давления на цикле разгрузки. Кроме того, регистрируют объем отжатой жидкости, и вычисляют коэффициент проницаемости на цикле по формуле
,
на каждом цикле определяют остаточное массовое содержание жидкости в образце по формуле
;
где , mобi=mоб0=mi, u жi=Sn·(li-l1), m i= ж·uжi
Р - исследуемый уровень давления,
Р1=0,85Р÷0,95Р - минимальное давление,
Sn - площадь поршня,
l1 - длина образца в начале 1-го цикла,
li-1 - длина образца в начале i-го цикла,
li - длина образца в конце i-го цикла,
t0i - время начала снижения давления на i-ом цикле,
tki - время конца i-го цикла,
mоб0 - начальная масса образца,
mобi - масса образца на i-ом цикле,
ж - плотность отфильтрованной жидкости,
uжi - суммарный объем отфильтрованной жидкости до i-го цикла,
mi - масса отжатой жидкости до i-го цикла,
C0 - исходное массовое содержание жидкости,
Сi - текущее массовое содержание жидкости на i-ом цикле,
i - изменяется от 1 до k,
k - номер цикла, на котором выполняется условие
(Kф(k-1)-Kфk)/K фk 0,01
по полученным значениям коэффициента проницаемости и массового содержания жидкости на всех выбранных уровнях давления определяют зависимость коэффициента проницаемости как функцию от массового содержания жидкости и уровня давления.
Таким образом, за счет динамического нагружения, используя предложенный способ, получаем возможность получения характеристик для пластически деформируемого пористого материала в широком диапазоне давлений при изменении массового содержания жидкости, в частности в процессе отжима жидкости из материала, а также повышение точности измерения.
Пример:
В качестве пористого материала использовался экструдат рапса. Образец экструдата - это двухкомпонентная среда, представляющая смесь жидкости (масла) с плотностью ж=0,92 г/см3 и пластически деформируемой пористой основы, состоящей в основном из клетчатки. Образец экструдата начальной массой mоб0=88.23 г помещали в рабочий цилиндр диаметром 45 мм, в нижней части которого расположено фильтрующее сито, а в верхней - подвижный поршень (площадь поршня Sn =15,9 см2). Исходное массовое содержание масла С 0=0.45. Выбирают исследуемый уровень давления Р=13,8 МПа и минимальное давление P1=0,9·Р=12,4 МПа. Для исследуемого уровня давления создавали циклическое силовое нагружение образца давлением. При этом выбранное давление Р=13,8 МПа использовали для выключения нагружения и давление, равное Р1=0,9·Р=12,4 МПа, для включения нагружения. Регистрировали во времени изменение длины образца и временной промежуток снижения давления на цикле разгрузки. Подобное нагружение можно проделать на других исследуемых уровнях давления. В результате регистрации параметров циклического нагружения получили изменение давления во времени при разных уровнях давления (фиг.1.) и изменение давления от перемещения поршня при разных уровнях давления (фиг.2.).
Подставив все необходимые численные значения в формулы, получили значение коэффициента проницаемости на втором цикле, равным Kф2 =3,6*10 -13 м 4/секН, остаточное массовое содержание жидкости в образце Сi=0,44. Проделав указанные действия на остальных циклах нагружения до цикла, на котором выполнилось условие (K ф(k-1)-Kфk)/Kфk 0,01, получим зависимость коэффициента проницаемости от остаточного массового содержания жидкости Kф(С). Выбрав другие исследуемые уровни давления и повторив указанные действия, определили зависимость коэффициента проницаемости от остаточного массового содержания жидкости и уровня давления Kф (С, Р) (фиг.3., приведенные внизу цифры означают уровень давления в МПа).
Источники информации
1. Шейдеггер А.Э. Физика течения жидкостей через пористые среды. // М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2008. - 254 с.
Класс G01N15/08 определение проницаемости, пористости или поверхностной площади пористых материалов