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原文传递一种立式水热耦合模型试验装置与试验方法

专利名称：	一种立式水热耦合模型试验装置与试验方法
摘要：	本发明属于人工地层冻结法施工技术领域，具体而言，本发明涉及一种立式水热耦合模型试验装置与试验方法。试验装置包括渗流系统、冻结系统和测量系统。试验方法包括：步骤一，通过所述渗流系统构建匀速渗水环境；步骤二，通过所述冻结系统构建冻结壁，并通过所述测量系统记录所述冻结壁形成的过程数据；步骤三，通过所述冻结系统和所述渗流系统将所述冻结壁解冻至与所述恒温水箱的水温相同温度。本发明构建的立式水热耦合模型在匀速渗水环境中构建而成，且搭载有测量系统，可以对冻结壁的发展过程和形状进行直观地观察，操作简单，能够达到将渗流对冻结温度场的影响进行准确量化的研究目的。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	安徽;34
申请人：	安徽理工大学
发明人：	荣传新;董艳宾;杨凡;王彬;李承涛;孙世成
专利状态：	有效
申请日期：	2019-05-28T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-19T00:00:00+0800
申请号：	CN201910452764.7
公开号：	CN110031508A
代理机构：	北京五洲洋和知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	刘春成;徐丽娜
分类号：	G01N25/20(2006.01);G;G01;G01N;G01N25
申请人地址：	230601 安徽省淮南市田家庵区舜耕中路168号
主权项：	1.一种立式水热耦合模型试验装置，其特征在于，包括：渗流系统、冻结系统和测量系统；所述渗流系统包括试验箱、进水口分流器和恒温水箱；所述试验箱用于提供渗流对冻结温度场影响的试验场所；所述恒温水箱通过所述进水口分流器与所述试验箱的底部相连，用于向所述试验箱内提供多股水流；所述冻结系统包括冻结管和冷冻机；所述冻结管穿过所述试验箱的一侧壁后安装在所述试验箱的试验区内，所述冷冻机与所述冻结管相连，所述冷冻机用于向所述冻结管输送冷冻剂，所述冻结管用于冻结所述试验区；所述测量系统包括冻结壁厚度测量刻度和温度测量系统；所述冻结壁厚度测量刻度位于所述试验箱上，并与所述冻结管相匹配，用于对冻结壁进行观测；所述温度测量系统包括温度数据采集仪和热电偶串，多个所述热电偶串分布在所述试验区内，所述温度数据采集仪与所述热电偶串相连，用于采集所述试验区内部的温度信号。 2.根据权利要求1所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：所述渗流系统还包括安装在所述恒温水箱和所述进水口分流器之间的动力装置，所述动力装置包括变频泵、进水截止阀、第一流量计和稳压罐；所述变频泵包括泵体、变频器和泵体压力表，所述泵体的一端与所述恒温水箱相连，另一端依次通过所述稳压罐、所述泵体压力表、所述进水截止阀、所述第一流量计后与所述进水口分流器相连；优选地，所述变频器与所述泵体相连，用于控制所述泵体向所述试验箱提供稳定流量的水流，所述泵体压力表监测所述泵体的水压；所述第一流量计为电磁流量计，所述变频器与所述第一流量计、所述进水截止阀相配合，用于实现对所述泵体输出水流的实时流量显示与控制；所述稳压罐用于平衡所述泵体输出水流的水量与水压。 3.根据权利要求1所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：所述冻结管水平安装在所述试验箱内，所述冻结管包括冻结内管和冻结外管，所述冻结内管位于所述冻结外管内并与所述冻结外管同轴设置；所述冻结系统还包括进液控制阀、第二流量计、进液分流器、出液分流器、进液干管和出液干管；所述进液干管的一端与所述冷冻机相连、另一端与所述进液分流器相连；所述进液分流器与多根所述冻结内管相连，所述第二流量计、所述进液控制阀安装在所述冻结内管上，每根所述冻结内管上均安装有一个所述第二流量计和一个所述进液控制阀；多根所述冻结外管均与所述出液分流器相连，所述出液分流器与所述出液干管的一端相连，所述出液干管的另一端与所述冷冻机相连，用于实现冷冻剂的循环；优选地，所述冷冻剂为氯化钙溶液和/或酒精；优选地，所述冻结管位于所述试验箱外侧的部分、所述进液分流器、所述出液分流器、所述进液干管、所述出液干管外侧均缠绕有保温材料。 4.根据权利要求1所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：所述温度测量系统还包括测点布置网，所述测点布置网竖直放置在所述试验区的中部并与所述试验区内的所述冻结管呈垂直设置，所述热电偶串均匀布置在所述测点布置网上；优选地，多个所述热电偶串在所述测点布置网上竖向布置；优选地，所述测点布置网采用隔热的塑料材质制成；所述测点布置网的网孔形状为矩形，边长均大于所述冻结管的外径；所述热电偶串为康铜-铜热电偶串。 5.根据权利要求1所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：所述试验箱为方形设置，所述试验箱的外壳由六块具有榫头和榫槽结构的玻璃面板拼接而成；在所述试验箱的内部由下向上依次包括由阻隔网隔开的上游缓冲区、所述试验区和下游缓冲区；优选地，所述玻璃面板采用有机玻璃材质，厚度为50mm至100mm；优选地，所述试验区的体积是所述上游缓冲区、所述下游缓冲区任意一个的5至7倍；优选地，每个所述阻隔网包括角钢边框、大孔网和小孔网；所述小孔网位于靠近所述试验区的一侧，所述大孔网位于靠近所述上游缓冲区或所述下游缓冲区的一侧；所述小孔网、所述大孔网安装在所述角钢边框上，所述大孔网用于承受来自砂子、石子的压力和作为所述小孔网的附着骨架，所述小孔网用于阻挡砂子进入所述上游缓冲区和所述下游缓冲区；优选地，所述大孔网、所述小孔网均为钢丝网，所述大孔网的孔径小于石子的粒径，所述小孔网的孔径小于砂子的粒径；所述大孔网的孔径为10-40mm，所述小孔网的孔径为100-400目。 6.根据权利要求5所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：所述外壳的前面板上设有多个冻结管安装孔，用于为所述冻结管提供安装位置；所述外壳的后面板外侧设有多个与所述冻结管一一对应的所述冻结壁厚度测量刻度，所述冻结壁厚度测量刻度为带有刻度的同心圆环体，并与所述冻结管共轴线设置，所述后面板内侧设有多个与所述冻结壁厚度测量刻度共轴线设置的冻结管定位槽；所述外壳的左面板上设有两个压力表安装孔和两个流量测定孔，两个所述压力表安装孔分别位于所述试验区的上部和下部，用于安装测量水压的压力表，两个流量测定孔分别与流量测定导槽的两端相连，用于测量所述试验区的水流流速；所述外壳的右面板上设有数据采集线导出孔；所述外壳的下面板上设有多个进水孔，所述进水孔与所述进水口分流器相匹配；所述外壳的上面板上设有透水孔，所述透水孔用于排水。 7.根据权利要求6所述的立式水热耦合模型试验装置，其特征在于：所述透水孔为多个，在所述外壳的上面板上均匀密集设置，所述外壳的顶部四周设有挡水板，所述挡水板连通有导水管，所述导水管位于所述恒温水箱的上方。 8.一种基于权利要求1至7任一项所述的立式水热耦合模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：通过所述渗流系统构建匀速渗水环境；步骤二：通过所述冻结系统构建冻结壁，并通过所述测量系统记录所述冻结壁形成的过程数据；步骤三：通过所述冻结系统和所述渗流系统将所述冻结壁解冻至与所述恒温水箱的水温相同温度。 9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，还包括：步骤四：更换所述步骤二中冻结壁的构建参数，重复进行所述步骤一至所述步骤三。 10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，还包括：步骤五：更换所述步骤一中匀速渗水环境的构建参数，重复进行所述步骤一至所述步骤四。
所属类别：	发明专利