本发明涉及一种寒区隧道温度场监测装置及其试验方法，属于试验模型领域。
背景技术：
随着“一带一路”战略的兴起，寒区高速铁路隧道的数量越来越多。温度是引起寒区隧道冻害的主要原因之一，就目前而言缺乏寒区隧道洞内温度场规律的深入认识，更缺乏高速列车风对寒区隧道冻害影响规律研究，防寒设计多以经验为主，出现的隧道冻害问题较多。引起寒区隧道温度场变化规律的因素具有多样性，国内尚没有考虑不同洞内气温、围岩地温、洞内风速大小和持续时间长短、列车发射速度大小和频率情况下寒区隧道温度场监测装置及其试验方法。因此，如何有效科学地对寒区隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律进行研究至关重要。
目前，寒区隧道温度场相关的模型试验能够得到单一因素、局部范围内的洞内温度场的分布规律，缺乏多因素影响下隧道洞内径向和纵向温度场变化规律的研究方法，为寒区隧道防寒保温设计提供依据，具有重要的理论意义和应用价值。
技术实现要素：
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本发明所要解决的技术问题是：为解决现有技术中，寒区隧道温度场相关的模型装置无法研究多因素条件下隧道洞内径向和纵向温度场变化规律，提出了一种寒区隧道温度场监测装置及其试验方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种寒区隧道温度场检测装置及其试验方法，所述监测装置包括模型列车加速装置10，外界气温控制装置1、洞内气温控制装置2、围岩地温控制装置3、隧道模型6以及温度和风速检测装置14，所述的模型列车加速装置10与隧道模型6相连，中间设有前端保温隔板5，模型列车支架9通过滑块11与模型列车加速装置10由螺栓进行连接；外界气温控制装置1控制试验装置的外界环境温度；洞内气温控制装置2控制隧道模型6的洞内气温；围岩温度控制装置3控制隧道模型6的围岩温度。
优选的，所述的外界气温控制装置1内含有变频风机和制冷装置；洞内气温控制装置2内含有变频风机和制冷装置；围岩温度控制装置3内含有蓄水结构13和气压室。
优选的，所述外界气温控制装置1采用封闭式制冷装置；洞内气温控制装置2采用封闭式制冷装置；围岩温度控制装置3采用封闭式水循环装置。
优选的，模型列车加速装置10采用直线电机进行加速，由皮带牵引模型列车8高速运行，模型列车8采用有机玻璃开模制作以crh380和谐号模型为制作蓝本，模型比例为1:50。
优选的，温度和风速检测装置14采用快速温度和风速探头以及采用灵敏度高的数据采集仪；温度和风速检测装置的测试元件分布在隧道拱顶、左右拱脚和左右墙脚处；一共设有11个监测断面，温度测试元件一个断面设有20个，风速测试元件一个断面设有5个。
优选的，隧道模型6包括衬砌结构12和蓄水结构13，隧道模型6采用曲墙式结构，衬砌结构12采用混凝土进行浇筑，一共有11块组成，每块长度2m；衬砌结构12由初期支护和二次衬砌构成；衬砌结构12外侧设有蓄水结构13，并通过围岩地温控制装置3调节水温进而控制蓄水结构中水温，从而达到控制围岩的地温。
优选的，围岩地温控制装置3采用恒温水箱加热水体，通过水泵将恒温水箱里面的水送到隧道模型6的蓄水结构13中，再通过引水管道将水送回恒温水箱，水泵送水压力为2个标准大气压力，其中水温调节范围为0℃~30℃。
一种寒区隧道温度场监测装置的使用方法包括以下步骤：
a.开启外界气温控制装置1调节模型隧道洞口外界环境气温达到设定温度，其调节范围为-5℃~-30℃;
b.开启围岩温度控制装置3调节隧道模型6中围岩温度达到设定温度，围岩地温的调节范围为0℃~30℃;
c.插入前端保温隔板5，开启洞内气温控制装置2调节模型隧道洞内空气温达到设定温度，其调节范围为-5℃~-30℃;
d.通过温度和风速检测装置14实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化，得到不同外界气温和围岩温度条件下，隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律;
e.固定外界环境气温、洞内气温和围岩地温，通过调节洞内气温控制装置2来调节模型隧道6内自然风速大小和持续时间长短，洞口自然风速的调节范围为1m/s~10m/s，通过温度和风速检测装置14实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化，得到不同风速和持续时间条件下，隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律;
f.固定外界环境气温、洞内气温、围岩地温和自然风速，通过调节模型列车加速装置10来调节模型列车8的运行速度和频率，列车运行速度范围为1m/s~30m/s；通过温度和风速检测装置14实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化；得到不同列车运行速度和频率条件下，隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律;
g.不断调节环境气温、洞内气温、围岩地温、自然风速大小和持续时间长短、模型列车8运行速度和频率，通过温度和风速检测装置14实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化，直至试验结束。
本发明的有益效果为：
实现了获取不同环境气温、洞内气温、围岩地温、自然风大小和持续时间长短、列车运行速度大小和频率等多因素综合影响条件下寒区隧道洞内空气温度场、围岩径向和纵向温度场的变化规律；采用高灵敏度温度和风速检测装置，实时获取隧道围岩径向和纵向温度场的变化规律以及隧道内风速的变化规律；其试验数据有利于明确不同因素影响下隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律，寒区隧道防寒保温设计提供依据，具有重要的理论意义和应用价值。
附图说明：
图1为本发明试验装置的总体设计图；
图2为本发明试验方法的流程图；
图3为本发明模型列车示意图；
图4为本发明模型列车加速装置示意图；
图5为本发明隧道模型、温度和风速监测点示意图。
附图标记：1外界气温控制装置；2洞内气温控制装置；3围岩地温控制装置；4冷域环境；5前端保温隔板；6隧道模型；7末端保温隔板；8模型列车；9支架；10模型列车加速装置；11滑块；12衬砌结构；13蓄水结构；14温度和风速检测装置。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明，以使本发明的优点和特征能更易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清晰明确的界定：
如图1、图3、图4和图5所示：一种寒区隧道温度场监测装置，主要包括模型列车加速装置10，外界气温控制装置1、洞内气温控制装置2、围岩温度控制装置3、隧道模型6以及温度和风速检测装置14。
所述的冷域坏境4和隧道模型6相连，中间设有前端保温隔板5，用于阻断两者之间的空气流动；外界气温控制装置1采用封闭式制冷装置，控制试验装置的外界环境温度；洞内气温控制装置2采用封闭制冷装置，控制隧道模型6的洞内气温；围岩温度控制装置3采用封闭式水循环装置，控制隧道模型6的围岩温度，采用末端保温隔板7进行封闭。
所述的外界气温控制装置1内含有变频风机和制冷装置；洞内气温控制装置2内含有变频风机和制冷装置；围岩温度控制装置3内含有蓄水结构13和气压室。
模型列车加速装置10采用直线电机进行加速，由皮带牵引模型列车8高速运行；模型列车8采用有机玻璃开模制作以crh380和谐号模型为制作蓝本，模型比例为1:50；模型列车的支架9与模型列车加速装置10的滑块11通过螺栓连接。
温度和风速检测装置14采用快速温度和风速探头以及采用灵敏度高的数据采集仪，温度和风速检测装置14的测试元件分布在隧道拱顶、左右拱脚和左右墙脚处；一共设有11个监测断面，温度测试元件一个断面设有20个，风速测试元件一个断面设有5个。
隧道模型6包括衬砌结构12和蓄水结构13，隧道模型6采用曲墙式结构，衬砌结构12采用混凝土进行浇筑，一共有11块组成，每块长度2m；衬砌结构12由初期支护和二次衬砌构成；衬砌结构12外侧设有蓄水结构13，并通过围岩地温控制装置3调节水温进而控制蓄水结构中水温，从而达到控制围岩的地温。
围岩地温控制装置3采用恒温水箱加热水体，通过水泵将恒温水箱里面的水送到隧道模型6的蓄水结构13中，再通过引水管道将水送回恒温水箱，水泵送水压力为2个标准大气压力，其中水温调节范围为0℃~30℃。
本发明是这样实现的：按照图1所示试验装置的总体设计图连接好试验装置，确保温度和风速检测装置14工作正常，按照图2本发明试验方法开展试验：
1.开启外界气温控制装置1调节模型隧道洞口外界环境气温达到设定温度，其调节范围为-5℃~-30℃。
2.开启围岩温度控制装置3调节隧道模型6中围岩温度达到设定温度，其围岩地温的调节范围为0℃~30℃。
3.插入前端保温隔板5，开启洞内气温控制装置2调节模型隧道洞内空气温达到设定温度，其调节范围为-5℃~-30℃。
4.通过温度和风速检测装置14实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化；得到不同外界气温和围岩温度条件下，隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律。
5.固定外界环境气温、洞内气温和围岩地温，通过调节洞内气温控制装置2来调节模型隧道6内自然风速大小和持续时间长短，洞口自然风速的调节范围为1m/s~10m/s；通过温度和风速检测装置14实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化，得到不同风速和持续时间条件下，隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律。
6.固定外界环境气温、洞内气温、围岩地温和自然风速，通过调节模型列车加速装置10来调节模型列车8的运行速度和频率，列车运行速度范围为1m/s~30m/s；通过温度和风速检测装置14实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化；得到不同列车运行速度和频率条件下，隧道洞内径向和纵向温度场的变化规律。
7.不断调节环境气温、洞内气温、围岩地温、自然风速大小和持续时间长短、模型列车8运行速度和频率，通过温度和风速检测装置14实时测量并记录隧道洞内风速和围岩温度的变化，直至试验结束。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。