CN103604827A - 一种冰水热交换系数实验装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的冰水热交换系数实验装置，包括水槽1、水泵3、闸阀4、调温器5、流速仪6、冰厚变化测量仪7和温度记录仪8，管道2依次将水泵3、闸阀4和调温器5相连，并构成回路，流速仪6和温度记录仪8的测量探头均位于水槽1内，冰厚变化测量仪7的测量探头位于水槽内的冰层19和水中。本发明还提供了利用上述装置测定冰水热交换系数的方法，本发明装置能很好的模拟水库结冰及低流速水流状况，获取相应水库的冰水热交换系数，为水利工程建设提供设计依据，还避免了奔波寒带水库库区开展水库冰水热交换系数原型观测的难度，为研究提供了更大的便利和实施的可能性。

Description

一种冰水热交换系数实验装置及测定方法

技术领域

本发明属于冰水热交换系数实验装置及测定技术领域，特别涉及一种流速在0.1m/s以下的冰水热交换系数的实验装置及测定方法。

背景技术

目前，我国的水利工程建设正逐渐向高海拔的寒带地区推进。在寒带地区建设水库必须要考虑的一个问题就是冬季水库的结冰问题，水库结冰后不管是形成流冰或稳定的冰盖，首先都将直接影响到冬季水库航运、水力发电、渠系输水等的安全，尤其是出现冰塞、冰坝等严重冰情后，还会导致凌洪等自然灾害，给人民的财产和生命安全带来重大的损失；其次，冬季水库冰盖的出现还将隔绝水库表层水体与大气之间的热量、动量和质量交换，进而影响冰下水温和水质的分布；同时雪层、冰层将阻碍太阳能量的传入，影响水中营养物质的流通，导致水中的溶解氧及营养物质缺乏，严重时会导致库内鱼类死亡。

水库形成的冰情与诸多因素相关，其中十分重要的影响因素是水库的水温分布、气象条件和冰水热交换，它们将影响到水库不同区段的结冰过程、结冰类型与强度及融冰过程。其中冰水热交换的过程，是一个复杂的带有相变的两相流问题，具体涉及传热学、流体力学等学科，对冰盖厚度、冰厚变化率、开江时间、冰下水温分布均有重要影响。

目前，虽然在海冰、河冰的冰水热交换系数方面已取得一些研究成果（季顺迎,岳前进,毕祥军.渤海冰水间的热传递系数[J].海洋通报.2002,21(1):10-15；Omstedt A andWettlaufer J S.Ice growth and oceanic heat flux:Models and Measurements［J］.J.Geophys.Res.,1992,97(C6)：9383～9390;Shirasawa K and Ingram G R.Currents and turbulent fluxesunder the first-year sea ice in Resolute Passage,Northwest Territories,Canada［J］.J.MarineSystem,1997,11,21～32;Josberger E G.Bottom ablation and heat transfer coefficients from the1983Marginal Ice Zone Experiment［J］.J.Geophys.Res.,1987,92(C7)：7012～7016），但其研究成果主要是采用原型观测，即直接针对海冰、河冰的冰水热交换进行观测得来的。由于海冰、河冰的冰下水体流速较快，一般在0.1m/s以上，而水库中的水体流动较为缓慢，一般在0.1m/s以下，特别是在水库中部至坝前段流速一般为毫米级，因而水库的水质情况或流速量级与已研究获得的河冰、海冰冰水热交换系数的适用条件存在显著差异，较难将其直接移植采用，而对于低流动条件下水库的冰水热交换系数的研究国内外尚未见报道。因而随着我国对寒带区域水资源开发中环境问题的逐渐重视，冰水热交换系数获取就成为了水库冰情研究的瓶颈。

发明内容

本发明的首要目的是针对现有技术的不足，提供一种冰水热交换系数实验装置。

本发明的另一个目的是提供一种利用上述装置测定冰水热交换系数的方法。

本发明提供的冰水热交换系数实验装置，包括水槽、水泵、闸阀、调温器、流速仪、冰厚变化测量仪和温度记录仪，水槽的出水口通过管道依次与水泵、闸阀和调温器相连，调温器再通过管道与水槽的进水口相连，并构成回路，流速仪测量探头和温度记录仪的测量探头均位于水槽内，冰厚变化测量仪的测量探头位于水槽内的冰层和水中。

以上实验装置中所述水槽由连为一体的进水段、出水段和位于进、出水段之间的测量段构成，进水段部分水槽的纵剖面为“┛”形，其右侧竖立部分与测量段水槽相通，左侧水平部分与测量段水槽右端头的底部重合，进水段部分水槽的下部有一进水管，进水管的出水口位于进水段左侧水平部分的水槽中，测量段水槽为一水平矩形槽，出水段水槽为一竖直矩形槽，其上半部分与测量段水槽相通，下半部分的外壁上连有一出水管。

以上实验装置中所述测量段水槽的底部为中空的双层结构，且在进水端一侧还设置有与双层结构底板连为一体的、悬臂伸出的水平隔板，水平隔板端头位于进水段水槽右侧竖立部分的中部。该测量段水槽的底部采用中空的双层结构，可以减少环境温度对测试结果的影响，达到隔热的目的，而悬臂伸出的水平隔板由于位于进水管出水口的右上方，因而可以消除水流进入水箱所引起的扰动，避免影响测试段水槽水流的流动状态，进而影响测试的准确性。

以上实验装置中所述测量段水槽两端还分别设置有可拆卸的竖向隔板或竖向整流网筛。设置可拆卸的竖向隔板，是为了在实验中将水槽测试段隔成临时水箱，以进行初始冰厚的冻结，当冰层冻结好后进行测试时，取下竖向隔板，换成竖向整流网筛，增加水流的湍流度，以使水流能均匀、稳定的流入水槽测试段。

以上实验装置中所述测量段水槽上端部内还水平横向设置有平行排列的木条，该木条的两端固定在水槽壁上，毎两根木条的间距为20～30cm。横向设置平行排列的木条需要在实验开始时冻结于初始冰层中，以防止实验中实验冰层的水平和垂向移动，保证所测冰厚变化数值的准确性。

以上实验装置中水泵采用市售的低转速（≤1450r/min）、大流量（≥25m³/h）的水泵进行抽排水循环，以尽可能避免水泵由于叶片旋转与水体摩擦而给实验装置带入过多的热量，进而影响测试的准确性。

以上实验装置中所述调温器为一根通过法兰连接而成的蛇形金属弯管构成。蛇形金属弯管最好采用热传导系数较大的不锈钢圆管制成。根据测量条件的不同，调温器可采用不同管径的不锈钢圆管，以利用不锈钢圆管较大的热传导系数、不同的散热面积及调控不同环境温度来平衡由于水泵叶片旋转与水体摩擦带入的热量，保证测量温度的稳定性。

以上实验装置中所述冰厚变化测量仪是由测量杆、测量块、测量读数套筒、支架和固定底座构成，测量块连接在测量杆一端端头，测量杆的另一端穿过测量读数套筒与之滑动连接，测量读数套筒固定在支架上端，支架下端与固定底座相连。

本发明提供的利用上述装置测定冰水热交换系数的方法，该方法的测定步骤如下：

（1）在水槽、水泵、闸阀、调温器连接加水充满后，将竖向隔板固定在水槽测量段两端以使其形成两端封闭的水箱，并在其中部或中后部沿横向选取温度测量断面，于水面以下5mm处开始向下垂向布置由温度记录仪测量探头组成的温度链，最好位于水箱中间，上密下疏，设置好后启动温度记录仪，然后再在温度测量断面后选取冰厚变化测量断面，放入冰厚变化测量仪的测量杆和测量块，并将冰厚变化测量仪固定在水箱边壁上；

（2）将环境温度降低使水箱内冻结至少0.02m冰层后，调节环境温度至0.0℃，再在水箱测量段入口端的冰层上选取流速测量断面并凿一通孔，放入流速仪测量探头，并将流速仪固定在水箱边壁上；

（3）将水箱两端的竖向隔板取下，并在水槽测量段的进口端固定整流网筛，然后将补入水从水槽进水段底部引入，并打开闸阀，启动水泵，使水体在水槽、管道和调温器内循环，一方面使补入水与水槽进水段的低温水进行混合并调整至实验水体温度，另一方面通过调节闸阀的圈数控制水槽测量段内水体的流速≤0.15m/s，待水槽测量段内水温、流场稳定且冰温接近0.0℃时，将冰厚变化测量仪的测量杆上提并使下端的测量块上表面与冰层下表面贴紧，然后从测量读取套筒处读取冰厚初始数值，其后每间隔10-30分钟上提测量杆并使下端的测量块上表面与冰层下表面贴紧后，读取后续冰厚变化数值；

（4）将设定的测量温度、流速、时间和对应条件下测得的冰厚变化值代入下式计算即得相应条件下冰水热交换系数：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{0}{\overset{h}{\∫\∫\∫}}{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{dh}}{\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{T}_{\mathrm{ws}}\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{\Δh}}{T_{\mathrm{ws}}\mathrm{\Δt}}$

式中α为冰水热交换系数，T_ws为冰下水体温度，L_i为冰融化潜热=33500J/kg，ρ_i为冰的密度=0.90g/cm³，Δh为冰厚变化值，Δt为冰厚变化所需时间。

根据需要变换不同流速、水温，重复第（2）-（4）步操作即可得到相应条件下冰水热交换系数。

以上方法中，如果水槽测量段高度为0.28m，所述温度记录仪测量探头的个数≥7个，优选7-15个。测量探头的具体个数可根据水箱高度的不同变化，不局限于本发明限定的个数。

以上方法中所述水箱内冻结的冰层厚度优选0.02-0.05m。

以上方法中所述控制水槽测量段内水体的流速优选为0.01-0.15m/s。

以上方法中计算冰水热交换系数的公式是根据牛顿对流换热公式，按照以下方式获得的：

q_wi＝α(T_ws-T₀)

式中q_wi为冰水热交换量，α为冰水热交换系数，T₀为冰水交界面温度，T_ws为冰下水体温度。

根据对冰水界面热量平衡分析，冰层下表面的融化所需要的能量主要为冰层的热传导与冰水之间的热传递的平衡结果，因此建立冰水界面的热量平衡方程为：

$q_i=q_{\mathrm{wi}}={\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dt}}$

其中，q_i为冰内部的热传导量，

为冰水热交换量。

由于实验时段内冰层内部温度趋近0.0℃，可认为q_i=0.0，因此，简化上式并积分为：

$\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{q}_{\mathrm{wi}}\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{h}{\∫}}{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{dh}$

假定冰水交界面T₀=0.0，实验过程中主流区的温度T_ws为某一稳定值，进一步整理上式即得：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{0}{\overset{h}{\text{\∫}}}{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{dh}}{\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{T}_{\mathrm{ws}}\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{\Δh}}{T_{\mathrm{ws}}\mathrm{\Δt}}$

根据上式，可求不同实验工况下的冰水热交换系数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明提供的实验装置是通过对水库结冰和流速广泛深入的原型观测的基础上进行的巧妙设计，因而它不仅能够很好的模拟水库结冰及低流速水流状况，获取相应水库的冰水热交换系数，为水利工程建设提供设计依据，还避免了奔波寒带水库库区开展水库冰水热交换系数原型观测的难度，为研究提供了更大的便利和实施的可能性。

2、由于本发明提供的实验装置中设计的水槽测量段竖向隔板和整流网筛为可拆卸的连接方式，可根据实验所需条件不同进行更换，既可隔成临时水箱，形成静水，方便结冰，又可在水槽进水段和出水段底面的垂直高度低于水槽测量段的垂直高度的匹配下，使水流均匀、稳定并在增加水流湍流度的状态流入水槽测量段，加之又有设计的水平隔板配合消能，因而使水槽段的实验水体不受外界水流的影响，保证了冰水热交换系数的计算的准确性。

3、由于本发明提供的实验装置中不仅水槽测量段底板设计为中空的双层结构，能起到隔热作用，避免环境温度变化带来的波动，且还在水槽测量段上方的结冰位置横向设置了若干根固定冰层的木条，以避免实验中冰层移动影响实验效果，同时又将流速测量断面确定在水箱测量段入口端，即靠近整流筛网，温度测量断面和冰厚变化测量断面依次确定在水箱测量段中部或中后部，因而测得的数据精确度高，可靠性强。

4、由于本发明提供的实验装置中既采用了低转速、大流量的水泵，又匹配了调温器，因而可方便控制水温、冰下流速等影响冰水热交换系数的一系列重要参数，以实现对冰水热交换问题的定量研究。

5、本发明提供的实验装置结构简单，安装、调节和测量方便，所需材料及设备成本低，且实用性强，具有推广应用价值。

6、由于本发明提供的利用上述实验装置进行测量方法，不仅可以测量冰下流速、冰下水温及冰盖下表面冰层厚度的变化量，还可通过建立的冰水界面的能量平衡方程式，获得在相应条件下的冰水热交换系数，因而可以研究寒冷地区水库水温、冰情演变规律，如冰厚的生长和消融过程以及冰下水温分布的规律分析与计算模拟，具有重要的科学意义和应用价值，填补了模拟低流动条件下的冰水热交换系数的空白，为水库水温与冰情的耦合研究及寒区水库的生态环境保护提供有力的技术支撑。

附图说明

图1为本发明实验装置各部件的连接关系结构示意图；

图2为本发明实验装置中水槽的纵向剖面结构示意图；

图3为本发明实验装置中冰厚变化测量仪的结构和测量中与冰层的相对关系示意图；

图4为图3中圆圈部位的测量读数套筒的局部放大图；

图5为本发明实验装置中调温器的结构示意图；

图中，1-水槽，2-管道，3-水泵，4-闸阀，5-调温器，6-流速仪，7-冰厚变化测量仪，8-温度记录仪，9-水平隔板，10-竖向隔板，11-整流筛网，12-流速测量断面，13-横向木条，14-冰厚变化测量断面，15-温度测量断面，16-进水段，17-出水段，18-测量段，19-冰层，20-进水管，21-出水管，51-不锈钢圆管，52-法兰，71-测量杆，72-测量块，73-测量读数套筒，74-支架，75-固定底座。

图6为本发明实施例2中温度测量断面上温度探头的布置示意图；

图7为冰水热交换系数与流速的线性关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例及附图对本发明装置及方法作进一步的说明，但本发明的内容不限于实施例中所涉及的内容，本领域技术人员可根据需要，扩大实验水槽尺寸，配置不同功率的水泵，进行高、中、低流速下冰水热交换系数的研究。

值得说明的是：

以下实施例中所用的仪器设备出处如下：

1）温度记录仪采用杭州路格科技有限公司生产的LG93-22温度仪，温度精度为±0.1℃；

2）流速仪选用挪威Vectrino小威龙点式流速仪，流速测量范围在±0.03，0.1，1.0，2.5，4.0m/s可调，测量精度为测量值的±0.5%±0.001m/s；

3）水泵采用上海创信泵业制造有限公司生产的低转速大流量水泵，额定流量25m³/h，额定功率0.75KW，转速1450r/min；

4）冰厚变化测量仪是在毕托管测速装置的基础上自行改装而成的，测量精度为±0.0001m；

5）调温器采用的不锈钢圆管尺寸为Ф0.06m×6m(L)；

6）管道采用内径为0.06m的塑料圆管；

8）水槽外侧采用热传导系数为0.035W/(m·K)的聚乙烯泡沫塑料进行保温；

9）水槽、竖向隔板及水平隔板的材质均为有机玻璃。

实施例1

本实施例中冰水热交换系数实验装置的结构如图1-5所示，包括水槽1、水泵3、闸阀4、调温器5、流速仪6、冰厚变化测量仪7和温度记录仪8，水槽的出水口通过管道2依次与水泵3、闸阀4和调温器5相连，调温器5再通过管道2与水槽的进水口相连，并构成回路，流速仪6和温度记录仪8测量探头的测量探头均位于水槽内，冰厚变化测量仪7的测量探头位于水槽内的冰层19和水中。

水槽由连为一体的进水段16、出水段17和位于进、出水段之间的测量段18构成，进水段16部分水槽的纵剖面为“┛”形，其右侧竖立部分与测量段18水槽相通，左侧水平部分与测量段18水槽右端头的底部重合，进水段16部分水槽的下部有一进水管20，进水管20的出水口位于进水段16左侧水平部分的水槽中，测量段18水槽为一水平矩形槽，出水段17水槽为一竖直矩形槽，其上半部分与测量段18水槽相通，下半部分的外壁上连有一出水管21。

测量段18水槽的底部为中空的双层结构，且在进水端一侧还设置有与双层结构底板连为一体的、悬臂伸出的水平隔板9，其端头位于进水段16水槽右侧竖立部分的中部。测量段水槽两端可粘接竖向隔板10，竖向隔板10可将水槽测量段隔成长1.7m、宽0.2m、高0.28m的临时水箱。当冰层冻结好后进行测试时，竖向隔板可取下，换成竖向整流网筛11。水箱上端部内还水平横向设置有平行排列的木条13，该木条13的两端用有机玻璃胶粘接在水槽1壁上，毎两根木条13的间距为30cm。

调温器为不锈钢圆管51通过法兰52连接构成的蛇形弯管。

冰厚变化测量仪7是由测量杆71、测量块72、测量读数套筒73、支架74和固定底座75构成，测量块72连接在测量杆71一端端头，测量杆71的另一端穿过测量读数套筒73与之滑动连接，测量读数套筒73固定在支架74上端，支架74下端与固定底座75相连。

实施例2

利用实施例1中的装置测定冰水热交换系数的方法，该方法的测定步骤如下：

（1）在水槽1、水泵3、闸阀4、调温器5连接加水充满后，将竖向隔板10用有机玻璃胶粘接在水槽测量段18两端以使其形成两端封闭的水箱，并装水至水深0.26m，水深为淹没木条0.01m。并在其中部沿横向选取温度测量断面15，于水面以下5mm处开始向下垂向布置由7个温度记录仪8测量探头组成的温度链，上密下疏。设置好后启动温度记录仪8，然后再在温度测量断面15后选取冰厚变化测量断面14，放入冰厚变化测量仪7的测量杆71和测量块72，并将冰厚变化测量仪7固定在水箱边壁上；

（2）将环境温度降至-20℃使水箱内冻结0.02m冰层后，调节环境温度至0.0℃，再在水箱测量段18入口端的冰层19上选取流速测量断面12并凿一直径为2.5cm的通孔，放入流速仪6测量探头，并将流速仪6固定在水箱边壁上；

（3）将水箱两端的竖向隔板10取下，并在水槽测量段18的进口端固定整流网筛11，然后将补入水从水槽1进水段底部引入，并打开闸阀4，启动水泵3，使水体在水槽1、管道2和调温器5内循环，一方面使补入水与水槽进水段16的低温水进行混合并调整至实验水体温度，另一方面通过调节闸阀4的圈数控制水槽测量段18内水体的流速（如表1所示），待水槽测量段内水温、流场稳定且冰温接近0.0℃时，将冰厚变化测量仪7的测量杆71上提并使下端的测量块72上表面与冰层19下表面贴紧，然后从测量读取套筒73处读取冰厚初始数值，其后每间隔20分钟上提测量杆71并使下端的测量块72上表面与冰层19下表面贴紧后，读取后续冰厚变化数值；

（4）将设定的测量温度、流速、时间、冰融化潜热，测得的冰厚变化值代入下式计算即得冰水热交换系数：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{0}{\overset{h}{\text{\∫}}}{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{dh}}{\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{T}_{\mathrm{ws}}\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{\Δh}}{T_{\mathrm{ws}}\mathrm{\Δt}}$

式中α为冰水热交换系数，T_ws为冰下水体温度，冰融化潜热L_i=33500J/kg，冰的密度ρ_i=0.90g/cm³，Δh为冰厚变化值，Δt为冰厚变化所需时间。

根据需要变换不同流速、水温，重复第（2）-（4）步操作即可得到相应条件下冰水热交换系数。

变换不同流速、水温的组合，本实施例共进行了22组实验，实验条件和结果如表1。

表1

根据实验结果可以得出：在主流区测量段18内流速一定的条件下，冰厚变化量与冰下水流主流区水温的线性相关性程度均较高。在实验段流态为紊流，进口段16平均流速为0.11m/s、0.084m/s、0.055m/s、0.024m/s条件下，冰厚变化量与冰下水流主流区水温线性相关系数分别高达0.99、0.97、0.96、0.96。其规律表现为，同一流速条件下，冰厚变化呈现主流区水温较低、冰厚变化越小，主流区水温较高、冰厚变化越大的规律；不同流速、相近水温条件下，实验冰层下表面的变化量与流速也呈现明显的线性变化，水温3.0℃～3.3℃下、水温1.4℃～1.6℃下的相关系数分别达到0.99、0.97。由此可见，冰厚变化量与流速、水温成明显的线性关系。

根据下式和表1的相关测试数据，计算求得的不同实验工况下的冰水热交换系数，如表2：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{0}{\overset{h}{\text{\∫}}}{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{dh}}{\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{T}_{\mathrm{ws}}\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{\Δh}}{T_{\mathrm{ws}}\mathrm{\Δt}}$

表2

由表2可以看出，不同流速工况下的冰水热交换系数的变化倍比与流速倍比基本相同，如流速为0.11m/s的平均热交换系数达到513w/m²/k，而流速为0.024m/s的平均热交换系数达到120w/m²/k，流速的倍比、平均热交换系数的倍比分别为4.4、4.3，进一步证实了冰水热交换系数与流速的线性关系。

影响冰水热交换系数的因素主要有流速u、表面粗糙度n、特征尺寸L、方位θ，以及物性参数如密度ρ、比热C_P，其函数关系式为：

α＝f(L,ρ,n,C_P,u,θ)

实验中的特征尺寸、方位固定不变；实验冰体为结晶冰体，表面粗糙度可视为相同；由于温度差异引起的密度、比热等变化也较小，也视为不变，因此冰水热交换系数可视为流速的单一函数。取同一流速下平均冰水热交换系数，拟合其与流速的关系式。拟合结果表明，冰水热交换系数与流速为高度线性相关，其相关系数高达1.0，见图7。

拟合的冰水热交换系数与流速的关系式为：

α＝4594.8u_w

综上，本实施例通过不同流速、水温的多组组合实验所得的冰水热交换系数与流速的关系式，填补了低流动条件下的冰水热交换系数的空白，对于分析与定量计算寒冷地区水库的冰盖生消过程及冰下水温分布具有重要的学术意义和应用价值。

Claims (10)

1.一种冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置包括水槽（1）、水泵（3）、闸阀（4）、调温器（5）、流速仪（6）、冰厚变化测量仪（7）和温度记录仪（8），水槽的出水口通过管道（2）依次与水泵（3）、闸阀（4）和调温器（5）相连，调温器再通过管道（2）与水槽（1）的进水口相连，并构成回路，流速仪（6）的测量探头和温度记录仪（8）的测量探头均位于水槽（1）内，冰厚变化测量仪（7）的测量探头位于水槽内的冰层（19）和水中。

2.根据权利要求1所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述水槽由连为一体的进水段（16）、出水段（17）和位于进、出水段之间的测量段（18）构成，进水段（16）部分水槽的纵剖面为“┛”形，其右侧竖立部分与测量段（18）水槽相通，左侧水平部分与测量段（18）水槽右端头的底部重合，进水段（16）部分水槽的下部有一进水管（20），进水管（20）的出水口位于进水段（16）左侧水平部分的水槽中，测量段（18）水槽为一水平矩形槽，出水段（17）水槽为一竖直矩形槽，其上半部分与测量段（18）水槽相通，下半部分的外壁上连有一出水管（21）。

3.根据权利要求2所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述测量段（18）水槽的底部为中空的双层结构，且在进水端一侧还设置有与双层结构底板连为一体的、悬臂伸出的水平隔板（9），水平隔板（9）端头位于进水段水槽右侧竖立部分的中部。

4.根据权利要求2所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述测量段(18)水槽两端还分别设置有可拆卸的竖向隔板(10)或竖向整流网筛(11)。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述测量段(18)水槽上端部内还水平横向设置有平行排列的木条(13)，该木条(13)的两端固定在水槽(1)的壁上，毎两根木条的间距为20～30cm。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述调温器(5)为一根通过法兰（52）连接而成的蛇形金属弯管（51）构成。

7.根据权利要求5所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述调温器（5）为一根通过法兰（52）连接而成的蛇形金属弯管（51）构成。

8.根据权利要求2-4中任一项所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述冰厚变化测量仪(7)是由测量杆(71)、测量块(72)、测量读数套筒(73)、支架(74)和固定底座(75)构成，测量块(72)连接在测量杆(71)一端端头，测量杆(71)的另一端穿过测量读数套筒(73)与之滑动连接，测量读数套筒(73)固定在支架(74)上端，支架(74)下端与固定底座(75)相连。

9.根据权利要求7中任一项所述的冰水热交换系数实验装置，其特征在于该装置中所述冰厚变化测量仪(7)是由测量杆(71)、测量块(72)、测量读数套筒(73)、支架(74)和固定底座(75)构成，测量块(72)连接在测量杆(71)一端端头，测量杆(71)的另一端穿过测量读数套筒(73)与之滑动连接，测量读数套筒(73)固定在支架(74)上端，支架(74)下端与固定底座(75)相连。

10.一种利用权利要求1所述装置测定冰水热交换系数的方法，该方法的测定步骤如下：

（1）在水槽（1）、水泵（3）、闸阀（4）、调温器（5）连接加水充满后，将竖向隔板（10）固定在水槽测量段(18)两端以使其形成两端封闭的水箱，并在其中部或中后部沿横向选取温度测量断面（15），于水面以下5mm处开始向下垂向布置由温度记录仪（8）测量探头组成的温度链，启动温度记录仪(8)，然后再在温度测量断面后选取冰厚变化测量断面(14)，放入冰厚变化测量仪(7)的测量杆（71）和测量块（72），并将冰厚变化测量仪（7）固定在水箱边壁上；

（2）将环境温度降低使水箱内冻结至少0.02m冰层后，调节环境温度至0.0℃，再在水箱测量段(18)入口端的冰层上选取流速测量断面（12）并凿一通孔，放入流速仪(6)测量探头，并将流速仪（6）固定在水箱边壁上；

（3）将水箱两端的竖向隔板(10)取下，并在水槽测量段（18）的进口端固定整流网筛（11），然后将补入的水从水槽进水段（16）底部引入，并打开闸阀（4），启动水泵（3），使水体在水槽（1）、管道（2）和调温器（5）内循环混合、水槽测量段(18)内水体的流速≤0.15m/s，待水槽测量段内水温、流场稳定且冰温接近0.0℃时，将冰厚变化测量仪(7)的测量杆(71)上提并使下端的测量块（72）上表面与冰层(19)下表面贴紧，然后从测量读取套筒（73）处读取冰厚初始数值，其后每间隔10-30分钟上提测量杆(71)并使下端的测量块(72)上表面与冰层(19)下表面贴紧后，读取后续冰厚变化数值；

（4）将设定的测量温度、流速、时间和对应条件下测得的冰厚变化值代入下式计算即得相应条件下冰水热交换系数：

$\mathrm{\α}=\frac{\underset{0}{\overset{h}{\text{\∫}}}{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{dh}}{\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{T}_{\mathrm{ws}}\mathrm{dt}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_i{L}_i\mathrm{\Δh}}{T_{\mathrm{ws}}\mathrm{\Δt}}$

式中α为冰水热交换系数，T_ws为冰下水体温度，L_i为冰融化潜热，ρ_i为冰的密度，Δh为冰厚变化值，Δt为冰厚变化所需时间。

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