2013大学生基金申报书.doc

附件1：
扬 州 大 学
大学生创新创业训练计划项目/学术科技创新基金项目
申 报 表

推荐学院：
（盖章）
项目名称：
均质土坝渗流导电液模型实验
项目类别：
□ 自然科学类学术论文
√ 科技发明制作
□ 社哲论文及调查报告
□ 文史体艺设计等
所属一级学科名称：
水工建筑物
项目负责人：
田 甜
联系电话：
18752546200
指导教师：
袁新明
联系电话：

填表日期： 2013 年 04 月 10日

项目名称
均质土坝渗流导电液模型实验
项目所属
一级学科
水工建筑物
项目实施时间
起始时间： 2013 年 04 月 完成时间： 2014 年 03 月
申请人或申请团队

姓名
年级
学号
所在院系
/专业
联系电话
E-mail
主
持
人
田甜
大三
101401121
水利水电工程
18752546200
1500533292@

成

员

指 导 教 师
第一指导教师
姓名
袁新明
单位
扬州大学水利科学与工程学院
年龄
55
专业技术职务
现任扬州大学水利科学与工程学院教授，扬州大学水利水电工程水工结构学科带头人。
主要成果
从事工程水力学、水工结构、流体数值计算等方面的研究。主持和参加国家、省、市科研项目三十多项。发表论文五十多篇（其中EI收录7篇）；获水利部青年优秀论文奖一项、获省级优秀论文奖二等奖、三等奖各一项。江苏省教委二类优秀成果奖一项，获江苏省优秀硕士学位论文一项，获江苏省优秀毕业设计三等奖一项，获扬州大学优秀教学二等奖一项和获扬州大学优秀教学成果奖一项。曾获扬州大学优秀青年骨干教师和新世纪学术带头人等荣誉称号。
第二指导教师
姓名

单位

年龄

专业技术职务

主要成果

一、 申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等）
经过大二大三将近两年的学习，接触到了不少专业知识了，这两年中我已学习过水力学、土力学等涉及到渗流过程流线方面的部分知识，但是对于渗流过程中流线的画法我们仅从书本上了解了它的性质和重要性，书面上总是停留在它的抽象的定义上，所以我决定用一种简单的实验来对渗流过程中的流线进行绘制。另外自己是水利水电专业的，以后的工作极有可能在这方面发展，还有就是自己对研究性的东西很感兴趣，我觉得在研究的过程中，一步一步的在已知条件下把我们想知道的或未被发掘的研究出来，当成果出来的时候，会让人有种莫名的兴奋感。在动手实验方面真的很喜欢。大三下学期课程中又再次碰到了有关渗透的问题，所以我决定把这个项目做出来。
二、项目方案
具体内容包括：
1、 项目研究背景（国内外的研究现状及研究意义、项目已有的基础，与本项目有关的研究积累和已取得的成绩，已具备的条件，尚缺少的条件及方法等）
流线是分析渗流场流体流动特性的一个非常重要的工具,其构造方法的研究已受到越来越多的人的普遍关注。给出了基于约束Delaunay三角网格的等值线和流线生成算法。提出了一种新的计算渗流场压力梯度的方法,借助于＂翼边＂数据结构,设计了＂指南针＂算法加速流线的跟踪过程。实例表明,算法具有良好的时空效率,结果能够较为直观地反映出流体的运动轨迹。流线的研究不仅对油藏工程师们在油藏注采井间的运动有很重大的帮助，并且在农业及水利建设方面起着很大的作用，在以后的日子里人们将使流体的运动朝着有利于人类活动的方向发展。
目前流网的绘制方法大致有三种：一种是解析法，即用解析的方法求出流速势函数及流函数，再令其函数等于一系列的常数，就可以描绘出一簇流线和等势线。第二种方法是实验法，常用的有水电比拟法。此方法利用水流与电流在数学上和物理上的相似性，通过测绘相似几何边界电场中的等电位线，获取渗流的等势线与流线，再根据流网性质补绘出流网。第三种方法是近似作图法也称手描法，系根据流网性质和确定的边界条件，用作图方法逐步近似画出流线和等势线。在上述方法中，解析法虽然严密，但数学上求解还存在较大困难。实验方法在操作上比较复杂，不易在工程中推广应用。目前常用的方法还是近似作图法，近似作图法的步骤大致为：先按流动趋势画出流线，然后根据流网正交性画出等势线，形成流网。如发现所画的流网不成曲边正方形时，需反复修改等势线和流线直至满足要求。
缺少的是实验工具不全。
2、 项目研究目标及主要内容和拟解决的问题
（1）项目的研究目标：主要是想找到一个较简单的方法来清晰明了的绘制流线，解决工作及生活中有流线问题带来的难题
（2）项目的主要内容：
实验目的：
①了解均质土坝渗流实验原理；
②掌握测定土坝渗流等势线的方法，并根据等势线绘出流网；
③根据所绘出的流网，求出单宽渗流量。
不透水地基均质土坝渗流导电液模型的总体布置
①模型布置及边界条件：
二向均质土坝渗流导电液模型同样必须首先做到边界几何形状相似。其基本轮廓尺寸可参见模型盘内的坐标。然后考虑各种边界条件的模拟：不透水地基用
绝缘材料有机玻璃模拟。模型中的上游（库内）水深为13 cm，下游水深为1 cm，入渗边界（上游坝坡）和下游的水下坝坡为等水头边界，采用镀银的铜皮来模拟。对于均质土坝渗流导电液模型，除必须做到边界几何形状相似以及上、下游坝坡设置相应水位的镀银铜皮汇流板外，还需按化引电压=化引水头=化引高程的原则，模拟出下游坝坡自由渗出段和坝内浸润线；在自由渗出段上，最简单的方法可按不同高程装置等间距的小铜片，每片都与其位置高程相应的中间位势相连接。稳定渗流场的浸润线需用绝缘材料有机玻璃制作，但其位置待定。试验时需用橡皮泥预先假定其位置（已调整好）。在调整好渗出段上的中间位势之后，即可沿浸润线边界选取几个固定的高程点：如（90％、80％、70％…）等高程点，用探针检验其是否符合化引电位=化引高程的原则，若不符合，则根据试验很容易修改其位置，直至浸润线满足一定精度为止。如图四（b）所示：

图四、土坝渗流导电液模型

②模型试验材料
由于流网图的形状与上下游水位无关；对均质各向同性土，也与渗透系数无关，而只与整个渗流区域的边界条件有关。故在二向均质土坝渗流导电液模型中只要做到了几何相似、边界条件相似，那么导电液模型中两端的电位差和模型中导电液的电导系数的大小均可任意设置。因此，本模型实验采用水深均匀的自来水来模拟；上、下游的电位差可在5－30V之间任意选取。
测试原理及实验方法
实验中各家所采用的电测装置虽各不相同，但基本的量测电路实质上是一样的，都是利用电桥原理，如图二所示。
图二、渗流电测原理装置示意图
电源采用交流电，通过音频震荡器，获得频率在1000~2000Hz的周波，电压一般采用5~10V左右，电源的高低端分别接到模型中上下游的汇流板上。量测电
路由R1、R2、R3、R4四个电阻组成，探针N接放大器的输入端，信号放大后输入高灵敏度的μA电流表，用于指示电流的方向。当a 点的位置移动时，可改变R1、R2的比值。c点是探针N在模型中的位置，而R3和R4即分别为高电位（汇流板）b点到探针、又从探针到低电位（汇流板）d点之间的电阻。
当a点固定在某一位置时，R1和R2的比例也随之固定，这时可移动探针在模型中的位置，使μA电流表指针指零。此时，，其合比关系为，而电路中有。因为已知，故(Ub－Uc)在全部电位差
（Ub-Ud）中的比值为已知。根据电位与水头比拟的原理，设闸基渗流的上下游水头差为H，则C点的水头为。当保持a点的位置不动。继续移动探针，可得电场中另一些使μA电流表指针指零的C点坐标。连接这些坐标点就得一条等水头线。再调整a点位置又可得到另一条等水头线。如此继续下去，可测得其它想要测得的等水头线。有了正确的等水头线，就很容易由手工绘制得到流网图。
由欧姆定律可知，电场中电流密度向量i在空间坐标轴上的三个投影为：
，，。 ①
式中：为电场中导电介质的导电系数，为电阻系数；U为电位，在电场中是x、y、z坐标的函数，由克希霍夫第一定律，电流的连续方程为：
。 ②
如果导电介质的导电系数为常数，将①式代入②式，便得到电流场中的拉普拉斯方程如下：
。 ③
从恒定渗流场的运动方程出发，表示恒定渗流速度向量u的达西定律为：
。 ④
式中：H为水头；k为渗透系数。将④式代入恒定不可压缩流体的连续微分方程式：
。 ⑤
则得到水头函数的拉普拉斯方程式：
。 ⑥
比较③式和⑥式可知，电流场中的电位U和渗流场中的水头H一样，都满足拉普拉斯方程。如果导电材料做成的电模型与渗流区域作到几何相似、边界条件相似、导电系数与渗透系数相似，则由表一可知，通过在电场中量测电位线，即可得到渗
流场中的等水头线。
对于几何相似，一般可通过正态模型来实现；关于电导系数与渗透系数相似，对均质各向同性土，可用电导系数为常数的导电体来模拟；关于边界条件相似，由于透水边界为一等水头线，在模型电场中应做成等电位边界，并且对上下游透水边界的水头差，在相应的电位边界中也保持一定的电位差。对不透水边界，在模型电场中应做成不导电的绝缘边界。
图一（b）即为根据二向平面问题渗流场的几何形状制造成的模型和所测得的等势线。
表一、渗流与电模拟参数对照表
电流场
渗流场
电位U
水头H
导电系数1/
渗透系数k
电流密度i
渗流流速u
欧姆定律：

达西定律：

电位服从拉普拉斯方程：

水头服从拉普拉斯方程：

电流强度I
渗流量Q
电流通过的横断面面积A
渗流通过的横断面面积A
导电线长度l
渗径长度l
电场强度：

渗流水力坡降：

绝缘边界条件：
n––––垂直于边界面的法线。

n––––垂直于边界面的法线。

图一、二向平面问题渗流等势线。
操作步骤
二向土坝导电液模型与电拟渗流等势线测试仪的连接如下图所示。

图五、土坝渗流等势线测试模型连接简图

①将模型盘的坐标按一定的比例点绘在方格纸上；
②利用水平仪调平模型盘（放置模型盘的桌子应预先用水平仪调平），再将导电液注入模型盘中，其厚度控制在1厘米左右；
③按图五连接好线路；
④接通电源，调节模型给定电压旋钮（右上），观察仪器中间的表头电压，在6－30V之间选择一个模型电压。
⑤分别按下0％和100％两个按键，检查右边的μA表头指针是否大致指零。如不为零，可调节仪器左边的调零旋钮进行调零；
⑥ 用电阻连接对应于相应各“化引高程”的汇流小电极，并将小电极上的电压用电阻调整到相应的电压；这一工作需反复调整多次，并来回检查确定无误后，方可开始等势线的测量。
⑦按下90％那个按键，将探针在模型盘上沿正交等势线的方向往返移动，寻找μA表头指针指零的坐标点。找到一点后，读取坐标值并将该坐标点点绘到准备好的坐标纸上；如此测出多点后，可徒手连接成光滑曲线，即得90％这一条等势线；
⑧依次按下其它各个按键，按上述方法测得其它各条等势线；
⑨将与仪器100％连接的那个插头拔出，然后插入100％按钮左边的那一插孔，将与仪器0％连接的那个插头拔出，插入串有200Ω电阻下的那一插孔，将探针与0电位连接，然后把选择开关打到补偿一边，再调节补偿测量旋钮，直至μA表头指针指零，并读出补偿测量旋钮表盘上的数据X（内圈为十位，外圈为个位），计算出二极板之间的电阻R（也可直接在电路上接一个电流表测出通过模型的电流I）；

⑩测得等势线后，根据流线必须与等势线正交的原则，绘出若干条流线，完成流网的绘制；
最后根据模型电流表所测得的电流值I和模型电压表所读得的电压V，代入

即可得到原型均质土坝的单宽渗流量。
式中：H，U––––上下游水位差和相应模型中的电压差；
ρ，K––––电阻率和渗透系数；
I––––模型电流表的读数；
δ––––模型中电导液的深度；
R––––上下游二极板间模型电阻。

3、 项目创新特色概述
利用电模型来模拟渗流，由于电流场中各种电流要素和渗流场中各种渗流要素具有数学和物理上的类比关系，因而可以用电场来模拟流场，测出电场中的等位线就得到了流场中的等势线，从而很容易的会出流网。
4、 项目研究方法、技术路线、方案及可行性分析
①研究方法：
首先上网或去图书馆搜集有关渗流的资料，掌握现有的研究渗流过程中已有的几种绘制流线的方法，向老师请教最具代表性可以清晰明了的绘制出渗流过程中流线的绘制的方法----电比拟法开始展开实验。
②技术路线及方案
利用物理和数学方法的类似性研究，具体方案在上面已提及。
③可行性分析
由于事先已经搜集过很多的资料并请教老师，并且此实验已经有不少的人做过，这次的实验只是在原来试验的基础上加以改进，使绘制流线的方法更简单，利用更简单的设备做出来，大致原理是相同的。因此实验的成功率相信是很大的，也很期待这次的实验。
5、研究进度安排
2013/04---2013/05 搜集国内外研究者在渗流方面的研究成果，整理实验思路
2013/05---2013/07 整理资料，初步确定实验方案
2013/08---2014/02 进行反复试验，得出结果
2014/02---2014/03 整理实验报告
6、 项目组成员分工
此次立项过程中全部工作由田甜一人完成
三、学校提供条件（包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等）
此次实验设备向学校物理实验室借或是由个人购买，申报立项的所有相关费用，实验室工作人员协助实验的进行。
四、预期成果及提交形式
（1）预期成果：以实验的方式得出结论，实验结果与理论结果符合，得到简单绘制流线的方法
（2）提交形式：实验报告。
五、经费预算
具体包括：
1、 调研、差旅费；
0元
2、 用于项目研发的元器件、软硬件测试、小型硬件购置费等；
待定
3、 资料购置、打印、复印、印刷等费用；
200元
4、 学生撰写与项目有关的论文版面费、申请专利费等。
待定
六、导师推荐意见及指导计划

签名：
年 月 日

七、院系推荐意见

院系负责人签名： 学院盖章
年 月 日
八、学校评审意见：

评委签名：
年 月 日
注：表格栏高不够可增加。

附件2：
扬州大学大学生创新创业训练计划项目/学术科技创新基金项目申报汇总表
学院名称： 填表日期
序号
项目名称
主持人
合作者姓名
指导老师
项目类别
所属一级学科名称
项目完成
时间
项目成果
提交形式
姓名
联系电话
姓名
职称

院领导签字： 填表人：