CN114324121B - 裂隙岩体渗流换热可视化教学*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种裂隙岩体渗流换热可视化教学***，包括：试验装置包括隔热组件，隔热组件限定出密闭的腔体，腔体内设有热源组件和封水囊，封水囊内设有入口和出口，试验装置上沿第一方向相对的两侧分别设有进水口和出水口，入口和进水口连通，出口与出水口连通，封水囊具有弹性且用于沿试样岩体的裂隙的周向包裹试样岩体，封水囊分别与腔体沿第一方向相对的两侧内壁之间设有可变形的封水件，入口和出口均用于与裂隙导通以供带有示踪粒子的液体流动；可视化组件包括激光组件和两个CCD相机；出水采集组件；可视化组件和热源组件均与控制器电性连接。根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，防漏水效果良好。

Description

裂隙岩体渗流换热可视化教学***

技术领域

本申请涉及裂隙剪切渗流试验技术领域，尤其涉及一种裂隙岩体渗流换热可视化教学***。

背景技术

裂隙的渗流与换热特性是许多地下工程和地质科学的关键问题，例如：高放射性废料储存、增强型地热***、干热岩资源开发、油气资源开采等。以干热岩资源开采为例，由于传统化石能源的大量使用，污染大、成本高，与国家提出的供给侧结构性改革，实现绿色发展经济的宗旨相违背。而地热能资源在全球范围内分布广泛，具有储量丰富、开采成本低、无污染、可再生等优点，是未来发展清洁能源的潜在方向。干热岩作为地热资源的一种，通常储存在地下3-10km深的低孔隙度、低渗透率的高温岩体当中，需要通过人工刺激的方法去改造储层裂隙并进行热量开采。开采干热岩资源通常使用高压水在储层的裂隙中与地热岩土发生热交换达到提取地热能资源的目的。但由于在高温作用下容易发生高速非线性裂隙渗流，局部发生紊流现象，这会导致流体与高温岩体换热不充分，严重影响换热效率，传统的局部热平衡假设不在适用，但由于岩石的不透光性，无法直接观测到裂隙内流体的流动状态及流场结构，这对通过实验进一步研究裂隙岩体渗流换热特性造成了困难。由此可知，如何开展裂隙渗流换热的可视化实验研究工作是当前亟待解决的难题之一，这对实现热能资源高效开采具有重要意义。

自然界中的岩体通常含有大量单裂隙构成，在裂隙岩体当中，完整的岩块透水性极其微弱，而流体流动的主要通道是其内部发育的单裂隙及裂隙网络，而深入探究单裂隙局部流场结构演化特征及换热特性是掌握裂隙热储采热的关键。

为了提高工程流体力学实验教学质量、增强学生理论与实践的结合，亟需能够开展多项流体试验的流动显示教学方面的演示***，现有实验室演示***防水效果较差，容易发生水的渗漏。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种裂隙岩体渗流换热可视化教学***，采用了粒子图像测速技术，能够准确获取在高温作用下的裂隙内部的瞬态流场，具有较高的测量精度，可直观展示在高温作用下的裂隙内部流体流场变化。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，包括：试验装置，试验装置包括隔热组件，隔热组件限定出密闭的腔体，腔体内设有热源组件和封水囊，所述封水囊内设有入口和出口，所述试验装置上沿第一方向相对的两侧分别设有进水口和出水口，所述入口和所述进水口连通，所述出口与所述出水口连通，所述封水囊具有弹性且用于沿试样岩体的裂隙的周向包裹所述试样岩体，所述封水囊分别与所述腔体沿所述第一方向相对的两侧内壁之间设有可变形的封水件，入口和出口均用于与裂隙导通以供带有示踪粒子的液体流动；可视化组件，可视化组件包括激光组件和两个CCD相机，激光组件用于提供光源，CCD相机用于捕捉并拍摄示踪粒子；出水采集组件，出水采集组件用于对从裂隙渗流处的水的流量进行采集测量；控制器，可视化组件和热源组件均与控制器电性连接。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，可视化组件还包括固定座，CCD相机固定于固定座上，固定座包括底座、X轴向导轨以及Y轴向导轨，底座包括万向轴，X轴向导轨固定于万向轴的顶端，Y轴向导轨底部通过第一滑块可滑动地嵌设于X轴向导轨上，Y轴向导轨上设有第二滑块，第二滑块上设有可转动的圆盘，CCD相机设于圆盘上。

可选地，CCD相机具有第一位置和第二位置，在第一位置时，CCD相机与激光组件位于试验装置的第二方向的同侧，且CCD相机与激光组件位于同一平面上，在第二位置时，CCD相机位于试验装置的第三方向的一侧，其中，第一方向、第二方向以及第三方向两两垂直。

可选地，隔热组件包括上盖板、下盖板、围板组件，上盖板、下盖板以及围板组件共同限定出腔体，第一紧固螺栓可转动地穿设于围板组件和封水件上，第一紧固螺栓穿设于封水件的盲孔中。

可选地，热源组件包括上热源和/或下热源，其中，上热源设于上盖板上，下热源设于下盖板上，上热源和下热源均包括电加热圈。

可选地，裂隙岩体渗流换热可视化教学***还包括第二紧固螺栓，第二紧固螺栓可转动地穿设于上热源和/或封水件以及上盖板上。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，出水采集组件包括电子天平和放置于电子天平托盘上的集液器，集液器与出水口连通，还包括：水压控制组件，水压控制组件包括水泵和出水采集组件，水泵与进水口连通；检测装置，检测装置包括第一测压传感器、第二测压传感器、多个温压传感器和温度传感器，第一测压传感器设于水泵与进水口之间的流路上，第二测压传感器和温度传感器设于出水口与集液器之间的流路上，隔热组件和热源组件上均设有供温压传感器穿入腔体内的安装位，多个温压传感器的靠近裂隙的一端均可伸入裂隙内，多个温压传感器沿第一方向排列。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，液体包括罗丹明6G溶液。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，隔热组件由包括硬质聚氨酯泡沫塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、陶瓷中的至少一种材料制成。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，封水件包括透明橡胶、透明硅胶、透明环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷中的一种。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，封水件被围板组件和封水囊挤压，由于封水件可变形，可以在第一方向上填满试样岩体与围板组件之间的空隙，从而起到良好的防水效果。防止水从封水囊的边沿处泄露，结构简单，封水效果良好。同时，采用了粒子图像测速技术，通过激光组件激发流过裂隙的示踪粒子并通过CCD相机进行捕捉拍摄，将固态粒子示踪法与激光光源结合来获取裂隙内部的流体流动图像，能够更准确地获取在高温作用下的裂隙内部的瞬态流场，更为准确地了解在高温作用下的裂隙局部流场演化特征及对热能传输特性的影响。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***的示意图；

图2为根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***的试验装置的剖视图；

图3为根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***的试验装置的封水囊的立体图；

图4为根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***中CCD相机在第一位置时的示意图；

图5为根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***中CCD相机在第二位置时的示意图。

附图标记：

教学***1，

试验装置10，隔热组件11，上盖板111，下盖板112，围板组件113，左侧板1132，右侧板1134，热源组件12，上热源122，下热源124，进水口13，出水口14，封水件15，第一紧固螺栓16，第二紧固螺栓17，封水囊18，

可视化组件20，激光组件21，激光器212，导光臂214，CCD相机22，

出水采集组件30，电子天平32，集液器34，

控制器40，

水压控制组件50，水泵51，

检测装置60，第一测压传感器61，第二测压传感器62，温度传感器63，温压传感器64，

试样岩体2。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

粒子图像测速技术（Paticle Image Velocimetry，缩写PIV）是通过CCD相机22、激光器212以及示踪粒子进行流速测量的流场测量技术，与传统的测量技术相比，PIV技术不会对被测流场产生干扰，并且可以实现全场瞬态测量，具有较高的测量精度。

如图1所示，根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***1，包括：试验装置10，可视化组件20、出水采集组件30以及控制器40。

试验装置10包括隔热组件11，隔热组件11限定出密闭的腔体，腔体内设有热源组件12，腔体用于固定具有裂隙的试样岩体2，热源组件12用于加热试样岩体2，为试样岩体2提供恒定的温度。其中，试样岩体2是通过3D打印和激光蚀刻等技术获得的具有不同裂隙类型的透明模型。在实验中，试验装置10需要放置于地面或者台面上，在通过热源组件12对试样岩体2进行加热时，隔热组件11能够对人组件产生的热量进行隔绝，一方面能够使得试样岩体2快速升温，另一方面也是防止热量传递到隔热组件11外表面灼伤地面、台面或者实验者，增加了试验装置10的安全性。

如图2所示，试验装置10上沿第一方向相对的两侧还分别设有进水口13和出水口14，腔体内沿第一方向的相对两侧设有封水件15。试验装置10还包括封水囊18，封水囊18内设有入口和出口，入口和进水口13通过进水管连通，出口与出水口14通过出水管连通，封水囊18具有弹性且用于沿裂隙的周向包裹试样岩体2。封水囊18分别与腔体沿第一方向相对的两侧内壁之间设有可变形的封水件15，试样岩体2放置于腔体中时，使裂隙的延伸方向与第一方向同向，进水口13和出水口14均用于与裂隙导通以供带有示踪粒子的液体经由进水口13流入裂隙中并经由出水口14流出。供水装置与进水口13连通用于向裂隙中充入液体。其中，通常液体为包含不同示踪粒子的水溶液。封水件15被围板组件113和封水囊18挤压，由于封水件15可变形，可以在第一方向上填满试样岩体2与围板组件113之间的空隙，从而起到良好的防水效果。防止水从封水囊18的边沿处泄露，结构简单，封水效果良好。

如图1、图4和图5所示，可视化组件20包括激光组件21和两个CCD相机22，激光组件21用于提供光源，照射裂隙，CCD相机22用于捕捉并拍摄示踪粒子。具体地，在观测局部流场时，激光组件21包括激光器212，通过激光器212发射脉冲激光照射裂隙局部区域，CCD相机22摄取两次或者多次曝光的示踪粒子的图像，再利用图像互相关方法分析，获得每一小区域中示踪粒子图像的平均位移，由此可以确定流场切面上区域的二维速度。在观测宏观流场时，激光组件21包括激光器212和导光臂214，通过激光器212发出点光源进入导光臂214，通过导光臂214调整激光出光的角度和位置，再经过导光臂214中的透镜组转换成具有一定厚度的激光片光再经过一系列的光路转换使光的传播方向、偏振方向和相位差等无序化，最终从射出光强分布均匀的平面光源，能够照射流场的整个切面区域，通过CCD相机22摄取两次或者多次曝光的示踪粒子的图像，再利用图像互相关方法分析，获得每一小区域中示踪粒子图像的平均位移，由此可以确定流场切面上整个区域的二维速度。

单个CCD相机22拍摄的是二维图像，通过调节两个CCD相机22的拍摄视野，使得两个CCD相机22从不同角度拍摄同一处区域，从而获取该处区域的三维立体图像。

在一些实施例中，CCD相机22选用LX8M CD相机，相机分辨率3312×2488pixel，满分辨率下16Hz，双帧间隔最短200ns，动态范围12bit，微距镜头，焦距100mm，光圈2.8mm，最小工作距离300mm。

激光器212选用双脉冲激光器，最大重复频率15Hz，激光波长532nm，单个脉冲能量200mJ/Pulse，导光臂214选用7关节导光臂，长度1.8m，工作波长532nm和266nm。

如图1所示，出水采集组件30用于对从裂隙渗流处的水的流量进行采集测量。

如图1所示，可视化组件20和所述热源组件12均与控制器40电性连接，控制器40控制热源组件12是否对试样岩体2进行加热，控制器40也可控制可视化组件20对示踪粒子进行跟踪拍摄，并对拍摄结果进行计算分析，控制器40可以与出水采集组件30电性连接也可以不连接，在控制器40与出水装置电性连接时，出水采集组件30将采集到的数据直接传递给控制器40，在不连接时，可通过学生人工观测记录数据，再将记录的数据输入控制器40中，基于出水采集组件30获取到的实时出水流量，控制器40可实时计算出裂隙的实时水力开度和实时各向异性渗透率，以获得表征裂隙在较低温度液体与高温岩石热量交换过程中的演化特性的关键参数。

如图2和图3所示，试验装置10具有第一方向、第二方向以及第三方向，其中，第一方向、第二方向以及第三方向两两垂直。第一方向、第二方向以及第三方向是定义的方向，与试验装置10的宽度方向、长度方向以及高度方向一一对应，第一方向可以是试验装置10的宽度方向，第二方向是长度方向，对应的第三方向是高度方向，或者是第一方向是试验装置10的长度方向，第二方向是试验装置10的宽度方向，对应的第三方向是高度方向。

在选择示踪粒子时，应该同时考虑示踪粒子的跟随性和光学特性，跟随性要求粒子越小越好，但光学特性要求粒子不能太小，在无接触测试中，为了提高水中示踪粒子的跟随性和测试结果的可靠性，选用粒子的粒度应尽量小，液体包括罗丹明6G（Rhodamine 6G）溶液。由于罗明丹6G溶于水，在不同的温度下通过激光激发可散射出不同波长的光，液体选用罗丹明6G溶液，方便测量渗流传热试验裂隙内流体的温度变化。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***1，采用了粒子图像测速技术，通过激光组件21激发流过裂隙的示踪粒子并通过CCD相机22进行捕捉拍摄，将固态粒子示踪法与激光光源结合来获取裂隙内部的流体流动图像，能够更准确地获取裂隙内部的瞬态流场，可直观展示裂隙内部流体流场变化，更为准确地了解裂隙局部流场演化特征及对热能传输特性的影响。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***1，可视化组件20还包括固定座，CCD相机22固定于固定座上，固定座包括底座、X轴向导轨以及Y轴向导轨，底座包括万向轴，X轴向导轨固定于万向轴的顶端，Y轴向导轨底部通过第一滑块可滑动地嵌设于X轴向导轨上，Y轴向导轨上设有第二滑块，第二滑块上设有可转动的圆盘，CCD相机22设于圆盘上。通过固定座可以方便地调节CCD相机22的位置，从而方便调节CCD相机22的视场。

具体地，X轴向导轨可以调节CCD相机22在X轴向的位移，Y轴向导轨可以调节CCD相机22在Y轴向的位移，圆盘可转动能够调节CCD相机22与试验装置10相对的角度，圆盘可转动的角度可以是小于360°的一个角度，或者是n360°，n≧1。X轴向导轨以及第一滑块还可以构造成X轴向丝杠，Y轴向导轨以及第二滑块还可以构造成Y轴向丝杠。

圆盘通过固定轴设于第二滑块上，在一些实施例中，固定轴固定设于第二滑块上，圆盘平行于Y轴向导轨，在一些实施例中，第二滑块或者圆盘上设有导向斜面，使得圆盘与Y轴向导轨具有一定的倾斜角度，在另外一些实施例中，固定轴可沿Z轴方向转动一定的角度，使得圆盘与Y轴向导轨之间的倾斜角度可调，进而实现可以微调CCD相机22在Z轴方向的倾斜角度。

万向轴至少包括一个万向联轴器以及通过万向联轴器连接的支撑轴，可以大范围地调节CCD相机22在Z轴方向的位移，其中，X轴、Y轴以及Z轴两两垂直。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***1，CCD相机22具有第一位置和第二位置，在第一位置时，如图4所示，CCD相机22用于观测试样岩体2的局部流场，两个CCD相机22与激光组件21位于试验装置10的第二方向的同侧，且两个CCD相机22与激光组件21位于同一平面上，激光组件21发出点光源，其中，优选地，两个CCD相机22相对于激光组件21对称布置。在第二位置时，如图5所示，CCD相机22用于观测试样岩体2的宏观流场，激光组件21发出片光，两个CCD相机22位于试验装置10的第三方向的一侧，使得CCD相机22的拍摄视野与激光组件21照出的片光垂直。

可选地，隔热组件11包括上盖板111、下盖板112、围板组件113，上盖板111、下盖板112以及围板组件113共同限定出腔体。试样岩体2预制缝隙，通过封水囊18将上半部分和下半部分拼合在一起。进水管和出水管可以预制在围板组件113中。在一些实施例中，围板组件113包括位于试样装置前后两侧的前侧板和后侧板，位于试样装置左右两侧的左侧板1132和右侧板1134，进水管装于左侧板1132中，出水管装于右侧板1134中。

由于需要满足试样岩体2在高温时液体流经裂隙流场的变化，前侧板和后侧板需要透明材质制成；在另外一些实施例中，如图2所示，围板组件113包括左侧板1132和右侧板1134，此时，第一方向对应为左右方向，在这些实施例中，前后两侧不设置前侧板和后侧板，方便学生观测试样岩体2在高温时液体流经裂隙流场的变化或者观测液体在裂隙中的流动，起到教学的目的，加深学生对非线性流动、流线、雷诺数、层流、紊流以及涡流等流体力学知识的理解。

可选地，封水件15包括透明橡胶、透明硅胶、透明环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷中的一种，上述材料制成的封水件15使得封水件15具有良好的封水性能，同时具有一定的透光度，能够方便观察液体流经裂隙的流场变化。

隔热组件11由包括硬质聚氨酯泡沫塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、陶瓷中的至少一种材料制成。

隔热组件11中的左侧板1132、右侧板1134、前侧板以及后侧板可以由同一种材料制成，也可以由不同的材料制成，此处不作限制。

如图2所示，根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***还包括第一紧固螺栓16，第一紧固螺栓16可转动地穿设于围板组件113和封水件15上，第一紧固螺栓16穿设于封水件15的盲孔中。通过第一紧固螺栓16以及围板组件113和封水件15的配合，能够通过拧动第一紧固螺栓16，起到一定的挤压围板组件113和封水件15进而挤压试样岩体2的作用，从而能够调节试样岩体2的围压。在一些实施例中，第一紧固螺栓16的数量为多个，左侧板1132和封水件15上穿设有至少两个第一紧固螺栓16，右侧板1134和封水件15上穿设有至少两个第一紧固螺栓16。封水件15上设置盲孔，可以理解的是，朝向靠近试样岩体2的一侧是封闭的，以防液体从此处渗漏。在一些实施例中，第一紧固螺栓16与围板组件113螺纹连接同时第一紧固螺栓16与封水件15螺纹连接。

在另外一些实施例中，第一紧固螺栓16与围板组件113螺纹连接，同时盲孔为光滑孔，盲孔内设置限位件限制第一紧固螺栓16脱出。在第一紧固螺栓16转动时，第一紧固螺栓16与围板组件113之间产生沿第一方向的位移，而第一紧固螺栓16与封水件15光滑连接，此时第一紧固螺栓16在光滑孔中空转，封水件15与第一紧固螺栓16不发生相对位移，从而使得封水件15被第一紧固螺栓16推动朝向靠近试样岩体2的方向压紧或朝向远离试样岩体2的方向松开，从而起到对试样岩体2加载或者卸载围压的作用。

如图2所示，热源组件12包括上热源122和/或下热源124，其中，上热源122设于上盖板111上，下热源124设于下盖板112上，上热源122和下热源124均包括电加热圈。在一些实施例中，热源组件12包括上热源122，上盖板111上设有上热源122；在一些实施例中，热源组件12包括下热源124，下盖板112上设有下热源124；在另外一些实施例中，热源组件12包括上热源122和下热源124，上盖板111上设有上热源122，下盖板112上设有下热源124。可以根据不同的需求选择。

如图2所示，可选地，裂隙岩体渗流换热可视化教学***1还包括第二紧固螺栓17，第二紧固螺栓17可转动地穿设于上热源122和/或封水件15以及上盖板111上，意味着，第二紧固螺栓17在所有实施例中均可转动地穿设于上盖板111上，在不同的实施例中可选择性地穿设于上热源122和/或封水件15上，例如，在一些实施例中，上盖板111上未设置上热源122，第二紧固螺栓17同时穿设于上盖板111和封水件15上，在一些实施例中，上盖板111上设有上热源122，上热源122在第一方向上与封水件15间隔，使得第二紧固螺栓17穿过间隔同时穿设于上盖板111和封水件15上，在另外一些实施例中，上盖板111上设有上热源122，第二紧固螺栓17同时穿设于上盖板111、上热源122以及封水件15上。

通过拧动第二紧固螺栓17按照不同的方向旋转，能够对试样岩体2加载轴压或者卸载轴压。通过第二紧固螺栓17与上热源122和/或封水件15以及上盖板111配合作为施加轴压的部件，使得结构设置简单，降低成本，方便学生自行安装，方便教学。

当第二紧固螺栓17穿设于上盖板111与上热源122上时，第二紧固螺栓17分别与上盖板111和上热源122螺纹连接，当第二紧固螺栓17穿设于上盖板111、上热源122以及封水件15上时，第二紧固螺栓17分别与上盖板111和封水件15螺纹连接；当第二紧固螺栓17穿设于上盖板111和封水件15上时，第二紧固螺栓17分别与上盖板111和封水件15螺纹连接。

如图1所示，根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***1还包括水压控制组件50和检测装置60。

如图1所示，具体地，出水采集组件30包括电子天平32和放置于电子天平32托盘上的集液器34，集液器34与出水口14连通，集液器34用于收集从出液口流出的液体，电子天平32用于对集液器34进行称重；水压控制组件50包括水泵51，水泵51与进水口13连通，水泵51为液体进入进水口13提供动力。水泵51与控制器40电性连接，从而通过控制器40来控制水泵51的开度。

如图1所示，检测装置60包括第一测压传感器61、第二测压传感器62、多个温压传感器64和温度传感器63，第一测压传感器61设于水泵51与进水口13之间的流路上，用于检测进入进水口13中的液体的水压，第二测压传感器62和温度传感器63设于出水口14与集液器34之间的流路上，第二测压传感器62用于检测流经裂隙之后的流出的液体的水压，温度传感器63用于测量流经裂隙之后的流出的液体的温度，隔热组件11和热源组件12上均设有供温压传感器64穿入腔体内的安装位，多个温压传感器64的靠近裂隙的一端均可伸入裂隙内，多个温压传感器64沿第一方向排列。温压传感器64可以同时测量裂隙内液体的温度和水压，温压传感器64的具体数量可以根据需要设置。进入进水口13的液体的温度是设定的，因此无需测量。温压传感器64也可以替换成分开的温度传感器和压力传感器。检测装置60与控制器40电性连接，用于向控制器40传输检测数据。

根据本发明实施例的裂隙岩体渗流换热可视化教学***1，能够通过激光组件21激发流过裂隙的示踪粒子并通过CCD相机22进行捕捉拍摄，能够更准确地获取裂隙内部的瞬态流场，更为准确地了解裂隙局部流场演化特征及对热能传输特性的影响。

在一些实施例中，试验装置10包括上热源122和下热源124，具体的实验步骤如下：

制备样品：将岩石样品加工成100×100×50-100mm（长×宽×高）的立方体试样，通过劈裂或剪切实验制备单裂隙岩石样品作为试样岩体2。试样岩体2为高透光性的透明实验模型。

安装样品：在试样岩体2制备好之后，采用耐热胶对试样岩体2的第二方向的两侧的裂隙进行封水处理，通过转动第一紧固螺栓16解除围压，将下热源124置于下盖板112上，将试样岩体2置于封水囊18中，保证裂隙全部位于封水囊18中，然后将其放置于下热源124上，将上热源122放置于试样岩体2上，盖上上盖板111，用封水胶对各个部件连接处进行封水连接处理，转动第二紧固螺栓17，将上盖板111压紧试样岩体2，同时起到固定试样岩体2的作用。接着，根据实验需要的水压大小，同时转动第一紧固螺栓16进一步施加围压，保障在该水压范围内，水仅能通过进水管通过裂隙流向出水管。

检测封水效果：试样岩体2安装好之后，启动水压控制组件50，通水一段时间，以检测试验装置10的封水效果，如果封水效果良好，则继续实验，如果封水效果不理想，则继续转动第一紧固螺栓16调整围压。在实验开始前，将装备好的温压传感器64***试样岩体2预留的位置处。

开始实验：启动热源组件12，在试样岩体2的上下表面提供相同的温度，直到试样岩体2完全加热至目标温度，停止加热，打开水压控制组件50，使较低温度的水溶液流经岩石裂隙，使其与高温试样岩体2进行热量交换。

在上述内容的基础上，该教学***1具体可以开展以下实验：

（1）开展不同围岩温度条件下裂隙岩体水热运移实验

（2）开展恒定注水压力条件下裂隙岩体水热运移实验；

（3）开展恒定注水流量条件下裂隙岩体水热运移实验；

（4）开展不同裂隙上表面形貌的裂隙岩体水热运移实验。

整个实验过程中，检测装置60对实验过程中裂隙的进水口13和出水口14处的压力及局部流场进行实时测量；水压控制组件50对渗透压力、流量进行控制并做记录，出水采集组件30对出水口14流出的水量进行称重。

实验结束：完成所有工况条件下的渗流换热实验后，关闭水压控制组件50。待试样岩体2和试验装置10冷却至室温后，解除围压，对试验装置10进行清理，实验结束。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

Claims (6)

1.一种裂隙岩体渗流换热可视化教学***，其特征在于，包括：

试验装置，所述试验装置包括隔热组件，所述隔热组件包括上盖板、下盖板、围板组件，所述上盖板、所述下盖板以及所述围板组件共同限定出腔体，所述腔体内设有热源组件，所述腔体内设有封水囊，所述封水囊内设有入口和出口，所述试验装置上沿第一方向相对的两侧分别设有进水口和出水口，所述入口和所述进水口连通，所述出口与所述出水口连通，所述封水囊具有弹性且用于沿试样岩体的裂隙的周向包裹所述试样岩体，所述封水囊分别与所述腔体沿所述第一方向相对的两侧内壁之间设有可变形的封水件，所述封水件包括透明橡胶、透明硅胶、透明环氧树脂以及聚二甲基硅氧烷中的一种，所述入口和所述出口均用于与所述裂隙导通以供带有示踪粒子的液体流动，第一紧固螺栓可转动地穿设于所述围板组件和所述封水件上，所述第一紧固螺栓穿设于所述封水件的盲孔中；

可视化组件，所述可视化组件包括激光组件和两个CCD相机，所述激光组件用于提供光源，所述CCD相机用于捕捉并拍摄所述示踪粒子；

固定座，所述CCD相机固定于所述固定座上，所述固定座包括底座、X轴向导轨以及Y轴向导轨，所述底座包括万向轴，所述X轴向导轨固定于所述万向轴的顶端，所述Y轴向导轨底部通过第一滑块可滑动地嵌设于所述X轴向导轨上，所述Y轴向导轨上设有第二滑块，所述第二滑块上设有可转动的圆盘，所述CCD相机设于所述圆盘上，

所述CCD相机具有第一位置和第二位置，在所述第一位置时，所述CCD相机与所述激光组件位于所述试验装置的第二方向的同侧，且所述CCD相机与所述激光组件位于同一平面上，在所述第二位置时，所述CCD相机位于所述试验装置的第三方向的一侧，其中，所述第一方向、所述第二方向以及所述第三方向两两垂直；

出水采集组件，所述出水采集组件用于对从所述裂隙渗流处的水的流量进行采集测量；

控制器，所述可视化组件和所述热源组件均与所述控制器电性连接。

2.根据权利要求1所述的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，其特征在于，所述热源组件包括上热源和/或下热源，其中，所述上热源设于所述上盖板上，所述下热源设于所述下盖板上，所述上热源和所述下热源均包括电加热圈。

3.根据权利要求2所述的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，其特征在于，还包括第二紧固螺栓，所述第二紧固螺栓可转动地穿设于所述上热源和/或所述封水件以及所述上盖板上。

4.根据权利要求1所述的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，其特征在于，所述出水采集组件包括电子天平和放置于所述电子天平托盘上的集液器，所述集液器与所述出水口连通，还包括：

水压控制组件，所述水压控制组件包括水泵，所述水泵与所述进水口连通；

检测装置，所述检测装置包括第一测压传感器、第二测压传感器、温度传感器和多个温压传感器，所述第一测压传感器设于所述水泵与所述进水口之间的流路上，所述第二测压传感器和所述温度传感器设于所述出水口与所述集液器之间的流路上，所述隔热组件和所述热源组件上均设有供所述温压传感器穿入所述腔体内的安装位，多个所述温压传感器的靠近所述裂隙的一端均可伸入所述裂隙内，多个所述温压传感器沿所述第一方向排列。

5.根据权利要求1所述的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，其特征在于，所述液体包括罗丹明6G溶液。

6.根据权利要求1所述的裂隙岩体渗流换热可视化教学***，其特征在于，所述隔热组件由包括硬质聚氨酯泡沫塑料、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、陶瓷中的至少一种材料制成。

Images