CN113029894A - 模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台，恒温水浴箱内设有水泵通过pvc管使恒温水浴箱内的热水进行外部循环，土体试验箱采用耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚格力板(厚3cm)加工而成，为保证渗流场的均匀、稳定，在内部距箱体左右两侧壁200mm处设置厚20mm可拆卸多孔亚格力板(与箱体有卡槽拼接)，使箱壁与多孔亚格力板中间位置形成水箱。箱体土体填装部分还安装有若干个温度传感器和湿度传感器，整个箱体分7层埋设传感器，渗流层面上下加密布置。本发明的优点是测量土体时不会造成扰动，一体性好，测试精度高。

Description

模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台
技术领域
本发明属于环境岩土测试技术领域，涉及可模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台。
背景技术
红黏土是广泛分布于我国云贵高原、两湖两广等地区的一类特殊性土体，因其具有特殊的工程性质，并对工程建设与生态保护等影响巨大而备受学术界关注。相对于一般粘性土来说，红黏土具有特殊的热物理性质，因此，红黏土的热湿传递过程更加复杂。由于岩溶地区一般存在丰富的地下水，因此土体中常常会有饱和-非饱和渗流。地源热泵作为清洁能源，在环保绿色节能理念被日益重视的今天得到了广泛的应用，拥有广阔的市场前景，土壤源热泵***是通过地埋管与土壤进行热交换，管段既经过包气带，也经过饱水带，且大部分管段位于饱水带。固、液两相的饱和区(带)中，水分的运动以渗流的形式呈现。已有研究表明，地下水渗流(下文简称渗流)可带走土壤积聚的热量且效果明显，也就是说渗流的存在加快了土中热交换的速度。渗流是地源热泵运行特性的动态因素，会对地源热泵运行特性有较大的影响。在实际工况下，合理考虑地下水的渗流作用，可有效改善地埋管长期运行所产生的热堆积现象，从而保证地源热泵***能够长时间的高效运行。国内外学者分别从试验、模拟等不同角度对渗流条件下地埋管的传热效能进行研究。但是，仍存在一些不足。一方面渗流下三维数值模拟的研究有很多，但建立三维物理模型却很少，实际工程中渗流是三维情况，所以在模拟三维土体渗流时需要建立三维物理模型控制影响因素加以验证；另一方面物理模型实验基本以砂土为实验对象，很少考虑渗流下的饱和-非饱和区红黏土的传热性能，在我国以云贵高原、两湖两广等以红黏土为主地区若要应用地源热泵作为清洁能源，必然会以红黏土作为传热介质，因此建立三维物理模型来模拟研究红黏土作为地源热泵的传热介质，实验数据及方法不仅能为实际工程中热泵***建设中地埋管的优化设计提供参数，同时也能为解决其他特殊土壤的热量传递提供参考。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的装置，解决了现有的测量设备对土体有一定程度的扰动及影响热量在土体中传导的问题。
本发明所采用的技术方案是包括土体实验箱和三大***(恒温热循环***、注排水渗流***、综合测定***)。土体试验箱用来完成实验土体的承载，恒温热循环***提供恒温热源，注排水渗流***提供一定渗流速度和渗流水温度，综合测定***提供数据的自动采集和保存。其中，土体试验箱采用耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚格力板(厚3cm)加工而成，实验箱高1600mm，内截面长×宽为1200mm×1200mm。在箱体右侧壁距底面高80cm处按等分间距开设直径 60mm的三个出水孔，同样在左侧壁分别距底面65cm、70cm、75cm每层处各开设三个出水孔，所有箱壁上出水孔安装下水器，下水器外接水龙头。为保证渗流场的均匀、稳定，在内部距箱体左右两侧壁200mm处设置厚20mm可拆卸多孔亚格力板(与箱体有卡槽拼接)，使箱壁与多孔亚格力板中间位置形成水箱。左右水箱底部按等间距各打直径60mm的圆孔三个，方便渗流水的进入。多孔亚格力板内侧铺设土工织布防止细小土粒堵塞多孔板，也可进一步保证渗流的均匀，上部采用可拆卸的箱体盖板，方便土体的制作、传感器的安装以及拆洗；恒温热循环***包括恒温水浴箱、U型铜管、60W变频水泵和PVC连接管。其中恒温水箱为HX-80有稳定的内、外循环泵***及温度调节按钮。U型铜管采用导热性能好的紫铜作为材料，长1m，内径12mm，外径16mm。通过铜管内进水的水温及流量来调节换热量；注排水渗流***包括亚格力小型水箱(长×宽×高： 400mm×400mm×600mm)、水槽(2个)、变频加热器、水盆(内直径1m，高 35cm)、水槽支架(2个)及15W变频水泵2台，水槽长1m深35cm宽30cm，水槽从宽处看过来成U型，在宽×深截面靠近底部打孔安装下水器外接软管，水槽下有长1m高55cm水槽支架支撑，变频加热器误差±0.5℃。综合测定***包括PT100 铂电阻温度计(JMT-36C)、5TM土壤温度传感器、JMZR-2000T多点温度自动测试***、MiniTrace水分测定***和台式电脑一台。
土体箱体填装部分在填装时分层埋设传感器，分别为距箱底10cm、30cm、 50cm、60cm、90cm、120cm、150m。其中距箱底60cm处按“米”字型铺设传感器，距箱底60cm及90cm处在埋设温度传感器同时埋设水分传感器。传感器埋设前按设定间距先进性固定然后再埋设。
进一步，所述热源为U型铜管，通过水泵使水在恒温水浴箱和U型铜管内进行水循环，恒温水浴箱和U型铜管通过PVC管进行连接；PVC转接处用专用胶水进行密封，外部包裹保温材料，即可提供恒定的热源。
进一步，所述土体实验箱盖板中间留有预留孔，预留孔尺寸直径60mm，周围有密封圈使其与穿过铜管进行固定，并达到密封效果。
进一步，设计土体试验箱右侧为上游水箱，左侧为下游水箱，上游水箱的水位恒定，在下游水箱侧面分别开设不同水位出水孔，通过启/闭不同水位的出水孔阀门，与上游水箱的水位形成固定水位差，从而控制渗流速度。
进一步，渗流水从下游水箱出水孔溢流进水槽，由于高低水位，水会由水槽出水孔流入水盆，经过放在水盆中的水泵抽取进入亚格力小型水箱，亚格力小型水箱中有变频加热棒及水泵，当水温达到设定温度将水由水泵注入土体试验箱右侧水箱即上游水箱。将上游水箱水龙头打开，使多余水溢流进水槽再经过水槽出水孔流进水盆，这样就形成了注排水渗流***。
进一步，土体试验箱用保温棉进行包裹，环境温度用空调进行控温。
按照土体三维热渗耦合传递的模拟装置进行土体三维渗流传递的测量方法，按照以下步骤进行：
岩溶地貌总结起来就是上覆土层是红黏土，下部是岩溶，即有裂隙的岩石，中间有地下水渗流；所以只要控制地下水渗流速度和岩溶地下水类似，就可以用砂子中的水渗流来模拟岩溶水。
实验过程；
1)准备土料：对砂土和红黏土分别测初始含水率并计算得箱体所需砂土及红黏土的质量；对于红黏土，要先进行配土，使其含水率达到目标值，然后放置24h以上，使其含水率分布均匀。
2)装填土箱：将砂土和红黏土分层装填，并依次在指定位置埋入传感器，填装前在箱壁每隔10cm要进行划线标定，并用宽1.5cm防水胶带沿标定线黏贴，每一层埋入对应的传感器后击实土样填装土体时，U型铜管一同埋入。
3)连接传感器：将传感器连接到采集箱，再将采集箱连接电脑，在电脑上安装对应的传感器测试软件。水分传感器按3h采集一次，温度传感器按30min采集一次。
4)热源安装：将U型铜管用PVC管与恒温水浴箱中水泵进行连接，将恒温水浴箱温度设定在指定温度；
5)包裹保温材料：采用专用胶对箱体进行密封，使实验土体与外界空气隔绝，为保证隔热效果，使箱体中土体温度不受环境影响。在箱体外侧包裹30mm 厚的PVC橡塑保温材料；为了使热源温度不流失，在U型铜管与恒温水浴箱之间的PVC连接管外侧包裹30mm厚的PVC橡塑保温材料；静置24h以上，使土体温、湿度分布均匀。
6)注水渗流：在注排水***的亚格力小型水箱中将水用变频加热器加热到指定温度，然后从底部溢流孔注水进入上游水箱，直到上下游水箱都有水溢出且上游水箱出水孔的水温达到指定温度；
7)开启试验：开启恒温水浴箱中水泵，作为试验的开始时间；
8)试验结束：运行3d后就要进行传感器数据的分析，当热源传到边界且数据分析无异常后就可以结束实验，关闭循环水泵，作为试验的结束时间，完成实验；
本发明的优点是测量土体时不会造成扰动，一体性好，测试精度高。
附图说明
图1是本发明一维热渗传递的模拟运行装置结构示意图。
图2是竖向传感器布置图、图3是水平传感器布置图
图1中，A是土体试验箱，B是水盆，C是亚格力小型水箱，D是恒温水浴箱。
具体实施方式
实施例：
试验装置如图1所示，建立的岩溶区三维热渗耦合传递试验台包括土体实验箱和三大***(恒温热循环***、注排水渗流***、综合测定***)。实验时，实验箱中分层填入取自于广西桂林本地的砂土和红黏土，通过注排水***得到稳定渗流速度和初始温度后，再用水泵将恒温水浴箱中循环水送入U型铜管，最后利用埋设的传感器测得不同时间段箱体中各测点的温度变化。
恒温热循环***：
本***先采用恒温水浴箱D给实验台提供一个稳定的热源，然后通过恒温水浴箱里的水泵抽取的方式使水浴箱中的水通过PVC管流通到土体试验箱中的U 型铜管然后再流回到恒温水浴箱。快速达到循环稳定后，热量即可通过U型铜管传导至土体箱中的土体。具体配件信息如下：
恒温水浴箱：恒温水浴箱D，水温波动≤0.5℃。恒温水浴箱内尺寸为300 ×500×200(单位：mm)。
水泵：由于***阻力较小，采用1个可调节流量的sqg60W变频水泵，最大扬程为5m，最大流量为6000L/h。
U型铜管：采用导热性能好的紫铜作为材料，长1m，内径12mm，外径16mm。
注排水渗流***：
模型设计时考虑水流初始温度的影响因素，因此需要用到水盆(图1中B) 及小型水箱(图1中C)，图1中小型水箱与试验台连接的pvc软管中间有水阀，控制水流的进出。流经实验台的水流流出试验台时要先进入水盆(蓄水)，然后流入小型水箱，用小型水箱中的变频加热器(温度设置为20℃)来控制水流的初始温度。
当需要考虑无渗流时，可通过小型水箱与试验台连接的pvc软管中间的水阀进行旋开和封闭。另外，调节试验台A中左右两侧出水孔的高差即可控制试验台中渗流的速度。在排水口处用量杯测定一定时间的流量即可换算出渗流速度。具体配件信息如下：
亚格力小型水箱(长×宽×高：400mm×400mm×600mm)、变频加热器(型号Y505116，功率1200W，误差±5℃)、水盆(内直径1m，高35cm)
综合测定***：
本***首先需要保证试验台温度不受外界温度影响，故在实验台外包裹厚 30mm的PVC保温材料。试验台内埋设温度和水分传感器，然后通过JMZR-2000T 多点温度自动测试***、MiniTrace水分测定***进行自动采集。具体配件信息如下：
传感器:JMT-36C(3K)型温度传感器、5TM土壤温度传感器，实验前，将传感器进行标定，后埋入土壤待各测点数值稳定后进行实验。
土柱试验箱：
采用耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚格力板(厚3cm)加工而成，通过在试验箱两侧及底部的溢水孔来控制水流的进入和溢出从而达到控制水流速度。所有箱壁上出水孔安装下水器，下水器外接水龙头。为保证渗流场的均匀、稳定，在上下游水箱内壁外侧在铺设土工织布防止细小土粒堵塞多孔板上部采用可拆卸的箱体盖板，方便土体的制作、传感器的安装以及拆洗。传感器的具体埋设位置见图2和图3。
本发明涉及的岩溶区土体三维热渗耦合传递的模拟装置，可在实时条件下量测土体的温度，得到土体不同位置处温度的变化规律，模拟温度梯度和渗流梯度二者共同影响下土体的三维热渗迁移效应，验证土壤中水分迁移和热量传递的相互作用，完善土壤热渗传递的理论模型。该装置构造简单，设计轻巧，操作方便，一体性好，测试精度高。

Claims (6)

1.模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台，其特征在于：土体实验箱包括上游水箱(右侧)、下游水箱(左侧)和中间装填土体的箱体；采用耐酸碱性能好、抗冲击力强的亚格力板(厚3cm)加工而成，土体实验箱高1600mm，装填土体的箱体内截面长*宽为1200mm*1200mm；土体箱体填装部分在填装时分层埋设传感器，分别为距箱底10cm、30cm、50cm、60cm、90cm、120cm、150m；其中距箱底60cm处按“米”字型铺设传感器，距箱底60cm及90cm处在埋设温度传感器同时埋设水分传感器；上游水箱和下游水箱的溢水口为直径60mm的圆孔，水箱的内壁为多孔亚格力板，孔直径3mm；恒温水浴箱D给实验台提供一个稳定的热源，然后通过恒温水浴箱里的水泵抽取的方式使水浴箱中的水通过PVC管流通到土体试验箱中的U型铜管然后再流回到恒温水浴箱；快速达到循环稳定后，热量即可通过U型铜管传导至土体箱中的土体；注排水渗流***包括亚格力小型水箱(长*宽*高：400mm*400mm*600mm)、水槽(2个)、变频加热器、水盆(内直径1m，高35cm)、水槽支架(2个)及15W变频水泵2台，水槽长1m深35cm宽30cm，水槽从宽处看过来成U型，在宽*深截面靠近底部打孔安装下水器外接软管，水槽下有长1m高55cm水槽支架支撑，变频加热器误差±0.5℃。
2.根据权利要求1所述的模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台，其特征在于，所述上游水箱溢水口分别在水箱底板和距侧壁版底高80cm处。
3.根据权利要求1所述下游水箱溢水口分别在水箱底板和距侧壁版底高65cm、70cm、75cm处。
4.根据权利要求1所述的模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台，其特征在于，所述注排水渗流***中的变频加热器的作用是对亚格力小型水箱中的水进行加热，达到20℃后通过亚格力小型水箱中水泵由上游水箱底板处溢水口注水进入上游水箱，使箱体土体中水温稳定在20℃。
5.根据权利要求1所述的模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台，其特征在于，所述注排水渗流***中的水槽的作用是盛放上下游水箱中的溢出水，并将溢出水通过pvc管转移到水盆中。
6.根据权利要求1所述的模拟岩溶区土体三维热渗耦合传递的试验台，其特征在于，所述注排水渗流***中的水盆的作用是在高低水位的作用下接引水槽中的水，并用水泵将水盆中的水由亚格力小型水箱顶部注入。
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