專(zhuān)利名稱(chēng)：多孔材料流—固—熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量裝置及其測(cè)量方法
多孔材料流一固一熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量裝置及其測(cè)量方
法所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種多孔材料流-固-熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量裝置及測(cè)量方法。特別 是針對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合下人工骨多孔支架滲透率的測(cè)量裝置和測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
多孔材料由于其相對(duì)密度小、比表面積大、熱導(dǎo)率低及強(qiáng)度高等優(yōu)異性能，被廣泛 應(yīng)用于航空航天、電子通訊、交通運(yùn)輸、原子能、醫(yī)學(xué)等諸多方面。滲透系數(shù)(亦稱(chēng)滲透率) 是衡量多孔材料物理特性?xún)?yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)，滲透率測(cè)量?jī)x則是測(cè)定多孔材料滲透系數(shù) 的一種儀器。目前，滲透率測(cè)量主要集中應(yīng)用于煤巖、沙土、巖石領(lǐng)域，測(cè)量方法主要基于常 水頭和變水頭測(cè)量原理，依此原理發(fā)明的測(cè)量?jī)x器測(cè)量精度低，操作繁瑣，速度慢等缺點(diǎn)。 隨著多孔支架在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，評(píng)價(jià)生物多孔支架材料的滲透性能優(yōu)劣也愈 發(fā)重要。但是有關(guān)生物骨支架滲透率測(cè)量?jī)x器未有文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)于血清蛋白等營(yíng)養(yǎng)液在體 溫(37°C)下相對(duì)于多孔材料支架的滲透系數(shù)評(píng)定也愈發(fā)重要，它的測(cè)量直接關(guān)系生物多 孔支架材料在骨移植術(shù)后成活的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此，多孔支架材料滲透率測(cè)量?jī)x器的發(fā) 明在生物醫(yī)學(xué)組織工程領(lǐng)域具有重要意義。變水頭法測(cè)定多孔材料滲透系數(shù)的液體滲流必須滿(mǎn)足層流條件。該方法測(cè)定多孔 材料滲透系數(shù)的測(cè)定儀器仍需在以下三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)(1)秒表計(jì)時(shí)，由于人為讀數(shù)和操作很容易引入主觀(guān)觀(guān)測(cè)誤差，造成測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn) 確性有待提高；(2)由于沒(méi)有考慮溫度場(chǎng)對(duì)滲透系數(shù)的影響，故滲流液體的動(dòng)力粘度系數(shù)必然造 成測(cè)量不出不同溫度下的多孔材料的滲透系數(shù)，僅能從宏觀(guān)測(cè)量近似反映不同溫度滲流液 體的滲透系數(shù)；(3)由于主觀(guān)人為方法獲取滲透系數(shù)的測(cè)量變量，因此測(cè)量變量相對(duì)多，且滲透系 數(shù)操作和計(jì)算并不簡(jiǎn)便，測(cè)量變量可以減少，操作方法和儀器本身有待改進(jìn)。常水頭試驗(yàn)方法中水頭差容易測(cè)量但易波動(dòng)，且該測(cè)量?jī)x器也相對(duì)復(fù)雜，系統(tǒng)對(duì) 外界環(huán)境變化敏感；其次，該方法操作復(fù)雜，需要很多輔助測(cè)量裝置協(xié)作完成，因此測(cè)量多 孔材料滲透率耗時(shí)，并且此方法同樣未考慮溫度因素對(duì)測(cè)量多孔材料滲透率的影響。發(fā)明專(zhuān)利91226407. 1公開(kāi)了一種滲透率梯度測(cè)試儀，其主要測(cè)試巖心縱向分段 滲透率參數(shù)，此方法需要從環(huán)壓輸入孔加入環(huán)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，裝置過(guò)于龐大，操作不便，對(duì) 于生物骨支架滲透率測(cè)量更是不易操作。發(fā)明專(zhuān)利200420007652公開(kāi)了一種多功能道路 材料滲透測(cè)定儀，首先他利用水箱和測(cè)試容器的壓差來(lái)維持進(jìn)液，這樣就不能保證精確的 流量，其次利用天平測(cè)量滲流出的水的質(zhì)量，如此造成誤差傳遞，影響測(cè)量精度。發(fā)明專(zhuān)利 200510031317. 2公開(kāi)了滲透系數(shù)測(cè)定方法及測(cè)定儀，它主要用于土樣滲透性能的研究。這 些測(cè)量技術(shù)的測(cè)量范圍及檢測(cè)精度均有待改善。上述發(fā)明儀器均未考慮溫度變化對(duì)多孔材 料滲透率的影響。實(shí)際上溫度的變化直接導(dǎo)致多孔介質(zhì)的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，這樣直接導(dǎo)致滲透率測(cè)量的準(zhǔn)確性。對(duì)于多孔材料在溫度和應(yīng)力耦合條件下的低滲透率測(cè)量已引起該領(lǐng)域?qū)W者 關(guān)注，然而用于溫度和壓力耦合條件下的滲透率測(cè)量?jī)x器未見(jiàn)發(fā)明。對(duì)于生物多孔支架在 溫度和壓力耦合條件下滲透率的測(cè)量就更未有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對(duì)現(xiàn)有多孔材料滲透率測(cè)量在流-固-熱多場(chǎng)耦合場(chǎng)的條件 下，未考慮溫度場(chǎng)變化對(duì)滲透性能的影響的不足，提供一種新的多孔材料流-固-熱多場(chǎng)耦 合滲透率測(cè)量裝置及其測(cè)量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種多孔材料流-固-熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量裝置，主要包 括蓋1、外筒2、保溫材料3和內(nèi)筒4 ；保溫材料3填充在外筒2和內(nèi)筒4之間；蓋1、外筒2、 保溫材料3和內(nèi)筒4使得內(nèi)筒4內(nèi)部形成一空腔；內(nèi)筒4內(nèi)壁為一臺(tái)階型壁面，待測(cè)多孔材 料5位于該臺(tái)階上，其外壁面和內(nèi)筒4內(nèi)壁緊密配合，同時(shí)，多孔材料5將內(nèi)筒4內(nèi)部的空 腔分割為右側(cè)的進(jìn)液空腔和左側(cè)的排液空腔；排液空腔內(nèi)有一個(gè)外壁與內(nèi)筒4內(nèi)壁吻合的 套筒6，套筒6用來(lái)壓緊多孔材料5，防止因液體壓力而使被測(cè)實(shí)驗(yàn)材料發(fā)生移動(dòng)，造成實(shí)驗(yàn) 誤差；密封圈7放置在套筒6的左側(cè)，其左側(cè)由蓋1頂緊；一根依次貫穿外筒2、保溫材料3 和內(nèi)筒4的進(jìn)液軟管8將進(jìn)液空腔和外界連通，另一根依次貫穿套筒6、內(nèi)筒4、保溫材料3 和外筒2的排液軟管9將排液空腔和外界連通；所述的排液軟管9上裝有一個(gè)微流量傳感 器10 ；進(jìn)液空腔或排液空腔中裝有一個(gè)溫度傳感器11，用于測(cè)定液體的溫度；溫度傳感器 11也可以在進(jìn)液空腔和排液空腔中各裝有一個(gè)。進(jìn)液空腔和排液空腔分別裝有進(jìn)液空腔壓 力傳感器12和排液空腔壓力傳感器13，用于測(cè)定滲流液體的壓力。利用上述測(cè)量裝置進(jìn)行多孔材料流-固-熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量的方法，包括如 下步驟步驟1 關(guān)閉微流量傳感器10)，通過(guò)進(jìn)液軟8通入液體一段時(shí)間，以保證多孔材料 達(dá)到飽和滲流狀態(tài)；同時(shí)置測(cè)試次數(shù)標(biāo)識(shí)i = 1 ；步驟2 通過(guò)溫度傳感器11得到液體溫度T，并保證T恒定；打開(kāi)微流量傳感器10 繼續(xù)通過(guò)進(jìn)液軟管8通入液體一段時(shí)間t”記錄該時(shí)間段、內(nèi)的流體累積流量Qi ；步驟3 計(jì)算當(dāng)前測(cè)試周期的滲透率& "蟲(chóng)式中nT為溫度T下的流體粘度系數(shù)；6為待測(cè)多孔材料5的長(zhǎng)度；A為待測(cè)多孔材料5的截面積；Pn為時(shí)間段、內(nèi)進(jìn)液空腔壓力，由進(jìn)液空腔壓力傳感器12讀數(shù)得到；P2i為時(shí)間段、內(nèi)排液空腔壓力，由排液空腔壓力傳感器13讀數(shù)得到。在計(jì)算中，各物理量仏、nT、S、\、六、？ 、&的單位分別取為m3、Pa* s、m、s、m2、 Pa、Pa，算得的滲透率Bi單位為m2 ；步驟4 :i = i+1，如果i < N，依次重復(fù)步驟2和3，計(jì)算下一個(gè)測(cè)試周期的滲透率 Bi ；否則如果i > N，進(jìn)入步驟5 ；N為自然數(shù)，表示測(cè)試次數(shù)；
步驟5 求多孔材料滲透率B
權(quán)利要求
一種多孔材料流 固 熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量裝置，其特征在于主要包括蓋(1)、外筒(2)、保溫材料(3)和內(nèi)筒(4)；保溫材料(3)填充在外筒(2)和內(nèi)筒(4)之間；蓋(1)、外筒(2)、保溫材料(3)和內(nèi)筒(4)使得內(nèi)筒(4)內(nèi)部形成一空腔；內(nèi)筒(4)內(nèi)壁為一臺(tái)階型壁面，待測(cè)多孔材料(5)位于該臺(tái)階上，其外壁面和內(nèi)筒(4)內(nèi)壁緊密配合，同時(shí)，多孔材料(5)將內(nèi)筒(4)內(nèi)部的空腔分割為右側(cè)的進(jìn)液空腔和左側(cè)的排液空腔；排液空腔內(nèi)有一個(gè)外壁與內(nèi)筒(4)內(nèi)壁吻合的套筒(6)，套筒(6)用來(lái)壓緊多孔材料(5)；密封圈(7)放置在套筒(6)的左側(cè)，其左側(cè)由蓋(1)頂緊；一根依次貫穿外筒(2)、保溫材料(3)和內(nèi)筒(4)的進(jìn)液軟管(8)將進(jìn)液空腔和外界連通，另一根依次貫穿套筒(6)、內(nèi)筒(4)、保溫材料(3)和外筒(2)的排液軟管(9)將排液空腔和外界連通；所述的排液軟管(9)上裝有一個(gè)微流量傳感器(10)；進(jìn)液空腔或排液空腔中裝有一個(gè)溫度傳感器(11)；進(jìn)液空腔和排液空腔分別裝有進(jìn)液空腔壓力傳感器(12)和排液空腔壓力傳感器(13)，用于測(cè)定滲流液體的壓力。
2.一種如權(quán)利要求1所述的多孔材料流-固-熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量裝置，其特征在 于所述的溫度傳感器(11)在進(jìn)液空腔和排液空腔中各裝有一個(gè)。
3.—種如權(quán)利要求1所述的多孔材料流-固-熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量裝置，其特征在 于所述的保溫材料⑶為聚乙烯。
4.一種利用如權(quán)利要求1或2所述的測(cè)量裝置進(jìn)行多孔材料流-固-熱多場(chǎng)耦合滲透 率測(cè)量的方法，包括如下步驟步驟1 關(guān)閉微流量傳感器(10)，通過(guò)進(jìn)液軟管(8)通入液體一段時(shí)間，以保證多孔材 料達(dá)到飽和滲流狀態(tài)；同時(shí)置測(cè)試次數(shù)標(biāo)識(shí)i = 1 ；步驟2 通過(guò)溫度傳感器(11)得到液體溫度T，并保證T恒定；打開(kāi)微流量傳感器(10) 繼續(xù)通過(guò)進(jìn)液軟管(8)通入液體一段時(shí)間t”記錄該時(shí)間段、內(nèi)的流體累積流量Qi ； 步驟3 計(jì)算當(dāng)前測(cè)試周期的滲透率Bi B =_QjVrl_ ‘、艦式中nT為溫度T下的流體粘度系數(shù)； 6為待測(cè)多孔材料(5)的長(zhǎng)度； A為待測(cè)多孔材料(5)的截面積；Pn為時(shí)間段、內(nèi)進(jìn)液空腔壓力，由進(jìn)液空腔壓力傳感器(12)讀數(shù)得到； P2i為時(shí)間段、內(nèi)排液空腔壓力，由排液空腔壓力傳感器(13)讀數(shù)得到。 在計(jì)算中，各物理量Qi、nT、6 .t^A.P^.P^的單位分別取為1113、？廣8、111、8、1112、？^卩^ 算得的滲透率&單位為m2;步驟4 :i = i+1，如果i < N，依次重復(fù)步驟2和3，計(jì)算下一個(gè)測(cè)試周期的滲透率Bi ； 否則如果i > N，進(jìn)入步驟5 ；N為自然數(shù)，表示測(cè)試次數(shù)；
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多孔材料流—固—熱多場(chǎng)耦合滲透率測(cè)量裝置及測(cè)量方法，特別是針對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)耦合下人工骨多孔支架滲透率的測(cè)量裝置和測(cè)量方法。該裝置可以將溶液從進(jìn)液軟管輸入，從出液軟管流出，通過(guò)微流量傳感器可以直接測(cè)出流體累積流量，通過(guò)進(jìn)液空腔壓力傳感器與排液空腔壓力傳感器測(cè)得進(jìn)液空腔和排液空腔壓力之差，再結(jié)合流體粘度、多孔材料長(zhǎng)度和截面積，提出一種計(jì)算多孔材料滲透率的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案考慮了溫度場(chǎng)變化對(duì)滲透性能的影響，實(shí)現(xiàn)了流—固—熱多場(chǎng)耦合情況下對(duì)多孔材料的滲透性能測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N15/08GK101975734SQ20101027794
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者李山, 楊明明, 汪焰恩, 王海強(qiáng), 魏生民 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)