一种多尺度热量运移同步监测试验系统和试验方法与流程

本发明涉及一种多尺度热量运移同步监测试验系统和试验方法，系统可以通过瞬时导流、恒温控制、侧向真空绝热、温度自动采集等功能同步开展多孔介质不同粒径、空间尺度的半无限大一维对流弥散试验；通过正交试验设计，筛选出不同热源边界、渗流速度、颗粒直径、空间位置等要素组合试验，通过热弥散系数解析理论推导结合试验反演计算提出热弥散尺度效应的试验方法。

背景技术：

在多孔介质传热传质研究领域，热弥散的研究尤其是尺度效应规律的揭示一直是该领域的热点与难点问题，半无限大含水层一维对流弥散物理模型试验是揭示热弥散尺度效应最直接且有效的手段之一。

开展该物理模型试验条件苛刻，涉及到流体定浓度、定温度、定压力等瞬时恒定边界控制，特别对于多组对照试验，需要同时满足相同的瞬时恒定边界，单纯恒定边界条件控制并非难点，但满足此类恒定边界条件需要时间控制过程，如何实现流体与试验介质的瞬时导流衔接成为关键，边界条件无法精确控制将会造成模型试验的边界误差。同时，满足半无限大含水层一维对流弥散的试验条件，要求侧向空间无温度传递，即满足绝热边界条件，另外，温度场的时空监测要求布置多测点同步监测，然而，真空绝热边界条件的控制可以容易实现，但同时需要满足真空柱侧向传感器可拆卸布置，且达到水、气分离密封成为模型设计的关键。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：解决半无限大含水层一维对流弥散试验边界条件控制问题，模拟不同粒径、结构含水层以及实现多组对照试验同步开展，满足不同时空尺度温度自动监测与温度传感器可拆卸等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

一种多尺度热量运移同步监测试验系统，包括试验砂柱组件、流路总成和传感单元；

试验砂柱为多孔的渗透柱，所述试验砂柱组件连接在流路总成的试验流路上，试验砂柱上阵列设置有传感单元的传感器阵列，传感器阵列连接在传感单元的数据接收处理模块上，所述流路总成包括一个恒温水箱，试验砂柱组件包括若干呈对照阵列布置的试验砂柱，试验砂柱包括一个隔热外壳，各试验砂柱的隔热外壳的顶端通过瞬时导流装置连接到恒温水箱上进行供流，隔热外壳的底部连接到流路总成的流量获取机构上进行排流，在试验砂柱的隔热外壳内填充有供流体流动的多孔流动介质；

所述传感器阵列包括阵列设置试验砂柱内的温度传感器，温度传感器的阵列轴线与试验砂柱的纵向轴线平行，所述温度传感器探头伸入到多孔流动介质中，温度传感器的数据输出端连接到温度自动采集系统上；

在所述试验砂柱轴向两端上还设置有测压机构，通过测压机构或者试验砂柱轴向两端之间的压力差；

所述瞬时导流装置包括若干设置在恒温水箱底部的与试验砂柱对应的导流阀，所述导流阀的驱动机构通过一个同步机构实现各导流阀同步的打开或关闭。

作为本发明的进一步改进，所述恒温水箱还包括恒温加热棒、温度感应器，所述加热棒和温度感应器之间通过恒温控制器连接，在所述恒温水箱内还设置有流体混合机构，所述流体混合机构包括一个流体驱动机构，通过流体驱动机构驱动流体在恒温水箱内流动。

作为本发明的进一步改进，所述流体混驱动机构包括一个水泵，通过水泵的驱动，将位于恒温水箱两侧的加热棒附近的流体输送到恒温水箱的中部。

作为本发明的进一步改进，所述隔热外壳包括一个圆柱内管和一个圆柱外管，圆柱内管和圆柱外管之间设置有环形的真空区，隔热空腔的轴向两端通过环形隔板封堵；在隔热外壳上阵列设置有若干传感器基座，所述传感器基座包括一个贯穿圆柱内管和圆柱外管的传感器固定套，传感器固定套的外壁与圆柱内管、圆柱外管之间密封连接，传感器通过传感器固定套插入到试验砂柱中部。

作为本发明的进一步改进，所述导流阀包括一个用于驱动阀塞的阀杆，所述同步机构包括一个连接各阀杆的滑杠，在滑杠上设置有台阶状的驱动导槽和直线状的引导槽，在恒温水箱内固定有若干定位滑块，所述定位滑块可沿驱动导 槽滑动，在所述阀杆上设置有一个驱动滑块，所述驱动滑块可沿引导槽滑动，通过驱动滑杠的左右移动，使得滑杠在驱动导槽的驱动下发生上下移动，带动阀杆上下移动。

作为本发明的进一步改进，所述导流阀包括一个穿透恒温水箱底板的阀座，在所述阀座的底部设置有一个连接组件，所述连接组件包括一个套接在阀座外的连接套，连接套与阀套活动连接，在连接套的一端设置有与试验砂柱顶部对应的密封端面，在密封端面上设置有密封环，在密封端面与试验砂柱顶部密封连接时，过流孔道与试验砂柱之间导通，所述活动连接为螺纹连接。

作为本发明的进一步改进，所述恒温水箱还包括一个溢流箱，所述溢流箱和恒温水箱之间通过一个溢流槽进行溢流，溢流槽内设有一个溢流挡板，通过溢流挡板的滑动控制溢流槽的高度，从而控制恒温水箱的水位高度。

作为本发明的进一步改进，所述各试验砂柱内填充有直径各不相同的玻璃微珠。

一种多尺度热量运移同步监测试验系统试验方法，其特征是：包括如下几个步骤：

步骤1：设置若干个均质试验砂柱、非均质试验砂柱和对照砂柱：在各均质试验砂柱中分别从顶至底依次填充入玻璃微珠、滤网层和卵石层，所述玻璃微珠的填充厚度与卵石层厚度之间的比例为5：1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10：1，各均质试验砂柱中玻璃微珠自右向左充填粒径依次递减，温度传感器的布置间距为10cm；在非均质试验砂柱中按粒径依次充填混合砂层、滤网层和卵石层，所述混合砂按照前述各均质试验砂柱中的玻璃微珠，从非均质试验砂柱的顶部到顶部方向分层设置，粒径依次递增，混合砂的每层玻璃微珠的填充厚度为5cm，4种粒径的比例为1:1:1:1，所述混合砂的填充厚度与卵石层厚度之间的比例为5：1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10:1,在非均质试验砂柱中温度传感器的布置间距10cm；所述对照砂柱内从顶至底依次填充有标准砂层、滤网层和卵石层，标准砂层与卵石层的填充厚度比例为5:1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10：1。在试验砂柱的排水口处设置称重机构，对排出的流体量进行称重。

步骤2：试验组参数确定：选取水温参数，以5℃为水温梯度，选取3组水温：35℃、40℃、45℃作为砂柱上边界试验温度，即恒温水箱的控制温度；选取水位差参数，以20cm为水位梯度，选取3组水位：150cm、170cm、190cm对砂柱内渗流速度进行控制；

步骤3：具体热传导和对流弥散试验，按照不同的水温参数和水位参数设置试验组；

热传导每组试验包括如下，步骤A：调节水箱的水位，使得测压机构的水压值符合每组试验的参数要求；通过恒温控制器和加热棒对恒温水箱内的试验流体进行加热直到温度均衡恒定，使得水温符合每组试验的要求参数；步骤B：通过同步机构打开各导流阀，并开始计时，使得恒温水箱内的流体与砂柱内多孔介质接触，温度通过热传导进入到试验砂柱内，同时通过温度传感器进行各试验砂柱不同位置的温度进行采集，采集的频率为1次/5s，记录各砂柱不同测点处的温度数据系列；

对流弥散每组试验包括如下，步骤A：调节水箱的水位，使得测压机构的水压值符合每组试验的参数要求；通过恒温控制器和加热棒对恒温水箱内的试验流体进行加热直到温度均衡恒定，使得水温符合每组试验的要求参数；步骤B：通过同步机构打开各导流阀，同时，打开对应所有试验砂柱的排水口阀门，使得恒温水箱内的流体在水位差的作用下进入砂柱内，通过温度传感器进行各试验砂柱不同位置的温度进行采集，采集的频率为1次/5s，记录各砂柱不同测点处的温度数据系列；步骤C；试验过程中记录单位时间内的流体重量，时段根据出流情况选择3种频率，记录各砂柱排出的流体量为Tn，时间s；

步骤4：渗透系数、热弥散系数等数据计算。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过一个可以瞬间打开、关闭的恒温水箱机构实现对各个试验砂柱中流体的统一控制，保证各个试验砂柱中流体的时间、温度等参数的一致性，提高试验数据组的准确度，本设备的结构相比于传统的试验砂柱结构泛用度更为广泛，可以适用于流体渗透试验、溶质运移试验、热量运移试验等。

2、改进性的通过支架实现对试验砂柱的统一固定，其尺寸、倾角均可控且调节 方便，而且试验砂柱之间互不干扰，不发生传热和传质，试验过程更为稳定，试验数据对照性强，也更为准确。

3、本发明在恒温水箱内加入恒温加热机构，保证了水箱内流体温度的恒定，提高了试验数据的准确性，同时水箱上设置的流体循环驱动机构可以保证恒温水箱内流体温度分布的均匀性，解决了水箱边缘流体散热过快，加热器部位流体局部温度过高和温度的分层分布的问题；

本发明的试验砂柱采用了真空的隔热层结构，克服了传统采用保温材料包裹达不到绝热边界要求的缺点，避免了包裹不严密带来的人为误差，传感器的固定方式对隔热的影响也更低；水、气分离密封结构克服了传统传感器使用时的密封效果差、不可拆卸和更换困难等问题。

4、本发明采用了一个滑杠结构的统一开启和关闭机构实现对阀门的控制，相比于采用电子阀门结构进行统一控制，本结构的机械式驱动稳定性更高，反应更加直接，进一步保证了试验数据的稳定性。

5、本发明设置在阀座上的连接组件可以方便的实现阀门水路和试验砂柱的分离，从而方便的实现对试验砂柱的更换以及调整，此外本结构也可以提高阀门清洁的方便性。

6、溢流箱可以方便的对水箱水位进行调整，从而实现对试验砂柱顶部水压的调节，简单方便。

7、本发明采用的玻璃微珠圆度高，粒径可控度高，而且不易受压力、温度、流体酸碱度等参数的影响，可以有效的降低试验误差。

8、本发明为半无限大含水层对流弥散试验提供了精确控制的试验系统。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构总成图；

图2是本发明水箱和试验砂柱的组合示意图；

图3是水箱中同步机构的结构示意图；

图4是连杆式机构的结构示意图；

图5是电驱动式机构的结构示意图；

图6是试验砂柱的结构示意图；

图7是热运量运移模式图；

图8是热扩散率的试验值与解析解对比曲线的对比曲线图；

图9是测定位置z1＝0.08m与z2＝0.18m的解析拟合曲线图。

图中：1、恒温水箱；2、恒温加热棒；3、溢流水箱；3-1、溢流槽；4、支架；5、试验砂柱；6、伸缩套；7-1、排水管；7-2、吸水管；7-3、水泵；8、同步机构；8-1、滑杠；8-2、引导槽；8-3、驱动导槽；8-4、引导座；8-5、滑动座；8-6、阀杆；8-7、固定杆；8-8、滑槽；8-9、抽杆；8-10、手柄转动座；8-11、驱动手柄；8-12、转动盘；8-13、弧形槽；8-14、活塞；8-15、导向外壳；8-16、回位弹簧。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1和图2所示，本发明是一种用于渗流、热传导、对流弥散的试验装置，其主要包括恒温水箱、试验砂柱阵列以及一系列的测试组件，其中恒温水箱、试验砂柱阵列均安装于一个支架之上，其中恒温水箱位于试验砂柱的顶部，其之间通过若干瞬时导流阀连接；

如图1，其中恒温水箱为一个亚克力材料制成的透明水箱，导流阀位于透明水箱的底部，在恒温水箱两侧上对称设置有四个加热棒，加热棒通过一个恒温控制装置进行供电从而产生热量对透明水箱内的水进行恒温加热；同时为了保证恒温水箱内流体温度的均匀性，在恒温水箱内还设置了流体驱动机构，其主要是通过一个设置在恒温水箱中部的吸水管，同时在恒温水箱两侧设置排水管，进水管和排水管之间通过一个水泵连接，实现流体的不断循环，混合加热；

如图1，在恒温水箱的一侧上还设置了一个溢流水箱，溢流水箱和恒温水箱之间通过一个溢流板连接，溢流板上设置有一个溢流槽，在溢流槽内固定有一个溢流挡板，溢流挡板可以沿溢流槽进行滑动，通过溢流挡板顶部相对溢流槽的位置，就可以改变恒温水箱的溢流高度，从而实现恒温水箱底部水压的调整；

导流阀包括一个阀座，阀座安装于恒温水箱的底部，阀座的顶部设置有一个环形 凸起，在阀座的外壁上螺纹连接有一个压紧环，压紧环与环形凸起配合将阀座夹紧于恒温水箱的底板上，在阀座的中心位置设置有一个阀芯活动孔，在阀座的顶部加工了若干与阀芯活动孔连通的排水孔，在阀芯活动孔的顶部设有一个供阀杆滑动的滑动板，通过阀杆的滑动打开或者封闭阀芯活动孔实现对阀门的封闭，同时在阀座的底部侧壁上还通过螺纹连接了一个伸缩套，在试验砂柱的顶部设置有一个连接端口，通过伸缩套的移动，驱动伸缩套的活动端部压紧在连接端口上，实现阀门与试验砂柱的连通；

如图3，而阀杆通过一个同步机构进行驱动，以保证各个试验砂柱流体时间、温度等参数的一致性；同步机构包括一个滑杠，在滑杠上分别加工有驱动导槽和引导槽，其中引导槽的轴线为直线，而驱动导槽的轴线为台阶状；在水箱底部上设置有一个引导座，在引导座上设置有一个滑块A，滑块A镶嵌与驱动导槽内；同时同步机构还包括一个固定板，各个阀杆的端部固定在固定板上，在固定板上还设置有一个滑动座，滑动座上设置有一个滑块B，滑块B镶嵌在引导槽内，通过驱动滑杠，滑杠在引导槽的驱动下向右向上或是向左向上移动，通过滑杠带动固定板上下移动，从而实现导流阀的统一打开或者关闭；

同时在水箱的侧壁上安装有一个滑动孔，在滑杠上加工有一个与阀杆轴线平行的滑槽，在滑动孔内滑动连接了一个抽杆，抽杆的一端通过一个滑块C与滑槽活动连接；

为了提高抽杆移动的便捷性，本发明也提出了两种可行的驱动结构，其中，如图4，第一种为人工进行驱动的连杆式机构，其包括一个安装于水箱外壁的手柄转动座，在手柄转动座上转动连接了一个驱动手柄，在驱动手柄上设置有一个导槽，在抽杆的另一端设置了一个滑块D，滑块D镶嵌于导槽内且沿导槽滑动，通过拉动驱动手柄，即可实现抽杆的移动，同时导槽用于弥补驱动手柄转动半径与驱动手柄转动轴心相对滑块D位置的距离差。第二种为通过一个电机进行驱动的电驱动式结构，电驱动式机构可以实现与试验数据统计器的联动，进一步提高试验数据的准确性。

如图5，电驱动式机构包括一个步进电机，在步进电机的转动轴上安装了一个转动盘，在转动盘上加工有一个弧形槽，弧形槽的弧度小于90°，在弧形 槽内镶嵌有一个滑块E；滑块E上转动连接有一个连杆A，连杆A通过一个回位机构与抽杆活动连接，所述回位机构包括一个导向外壳，在导向外壳的内部滑动连接有个活塞，在导向外壳的轴向两端各设有一个限位环，在活塞的两端各垂直固定有一个连杆分别为连杆C和连杆B，其中连杆B与连杆A转动连接，连杆C和抽杆转动连接，在活塞安装有连杆B的一侧与限位环之间设置有一个回位弹簧，所述回位弹簧为舒张弹簧，驱动时，转动盘进行步进转动，滑块E从弧形槽的一端移动到弧形槽的另一端，并在弧形槽另一端的带动下沿着转动盘的转动轨迹移动，此时抽杆在滑块E的拉动下，发生移动，从而打开各个导流阀；

而当转动盘转过一定角度时，滑块E在回位弹簧的驱动下，从弧形槽的一端被拉回到弧形槽的另一端，同时在回位弹簧的驱动下抽杆发生回位，使得各个导流阀关闭。

如图6，试验砂柱作为本发明的核心部件，其主体为一个圆柱形的砂柱外壳，砂柱外壳的内壁为真空结构，采用两个同心的亚克力圆筒组合而成，在试验砂柱的侧壁上安装有一个贯穿两个亚克力圆筒的传感器安装管，传感器安装管与亚克力圆筒的壁面之间密封连接，从而保证整个砂柱外壳真空结构的密封性，传感器则通过传感器安装管插入到试验砂柱内，在传感器安装管内壁还设置有若干密封圈以防止试验砂柱内水体的泄漏；

同时传感器为热传感器，通过采集记录仪实现对每个时间，试验砂柱中不同位置温度的采集。

在试验砂柱的轴向两端还连接有排水管，每个试验砂柱两端的排水管连接到一个测压管的两端，从而实现对试验砂柱两端之间压力差的获取。

具体试验时，如图1，包括如下几个步骤：

步骤1：设置若干个均质试验砂柱、非均质试验砂柱和对照砂柱：在各均质试验砂柱中分别从顶至底依次填充入玻璃微珠、滤网层和卵石层，所述玻璃微珠的填充厚度与卵石层厚度之间的比例为5：1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10：1，各均质试验砂柱自右向左充填的玻璃微珠的粒径依次递减，温度传感器自上而下布置8个，间距为10cm；在各非均质试验砂柱依次填充有长度为n的混合砂、滤网层和卵石层，所述混合砂按照前述各均质试验砂柱中的 玻璃微珠，从非均质试验砂柱的顶部到顶部方向分层设置，粒径依次递增，混合砂的每层玻璃微珠的填充厚度为5cm，4种粒径的比例为1:1:1:1，所述混合砂的填充厚度与卵石层厚度之间的比例为5：1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10:1,在非均质试验砂柱中温度传感器的布置间距10cm；所述对照砂柱内从顶至底依次填充有标准砂层、滤网层和卵石层，标准砂层与卵石层的填充厚度比例为5:1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10:1。在试验砂柱的排水口处设置称重机构，对排出的流体量进行称重。

步骤2：试验组参数确定：选取水温参数，以5℃为水温梯度，选取3组水温：35℃、40℃、45℃作为砂柱上边界试验温度，即恒温水箱的控制温度；选取水位差参数，以20cm为水位梯度，选取3组水位：150cm、170cm、190cm对砂柱内渗流速度进行控制；

步骤3：具体热传导和对流弥散试验，按照不同的水温参数和水位参数设置试验组；

热传导每组试验包括如下，步骤A：调节水箱的水位，使得测压机构的水压值符合每组试验的参数要求；通过恒温控制器和加热棒对恒温水箱内的试验流体进行加热直到温度均衡恒定，使得水温符合每组试验的要求参数；步骤B：通过同步机构打开各导流阀，并开始计时，使得恒温水箱内的流体与砂柱内多孔介质接触，温度通过热传导进入到试验砂柱内，同时通过温度传感器进行各试验砂柱不同位置的温度进行采集，采集的频率为1次/5s，记录各砂柱不同测点处的温度数据系列；

对流弥散每组试验包括如下，步骤A：调节水箱的水位，使得测压机构的水压值符合每组试验的参数要求；通过恒温控制器和加热棒对恒温水箱内的试验流体进行加热直到温度均衡恒定，使得水温符合每组试验的要求参数；步骤B：通过同步机构打开各导流阀，同时，打开对应所有试验砂柱的排水口阀门，使得恒温水箱内的流体在水位差的作用下进入砂柱内，通过温度传感器进行各试验砂柱不同位置的温度进行采集，采集的频率为1次/5s，记录各砂柱不同测点处的温度数据系列；步骤C；试验过程中记录单位时间内的流体重量，时段根据出流情况选择3种频率，记录各砂柱排出的流体量为Tⁿ，时间s；

步骤4：渗透系数、热弥散系数等数据计算

一维土柱模型试验方案分两个阶段：

(a)无对流条件下的半无限大含水层一维非稳态热传导试验，该试验中热量以单纯热传导的方式传输，利用这一物理过程获取饱和孔隙含水层的热扩散率。

(b)定降深条件下的半无限大含水层一维非稳态对流弥散试验，其目的是为小尺度热机械弥散模型建立提供试验验证。

两阶段试验的热量运移模式如图图7。

根据半无限土柱模型试验阶段(a)，假定含水层均质各向同性、无内热源，不发生变形，介质骨架与地下水之间存在瞬时热平衡，视为等效连续介质，如图，τ＝0时刻，含水层的初始温度为T₀，顶面边界温度为T_s，在无渗流条件下，此时，饱和孔隙含水层中只存在热传导传热作用。

那么控制方程为

当λ_A为常数，不考虑x，y方向传热时，试验中半无限大物体的一维非稳态导热的数学模型表示为：

令

通过Laplace变换原理，令L[θ]＝F(z,s)，得：

则将s作为参数，方程可以变为关于z的常微分方程：

该方程的通解形式可以写成：

根据边界条件：当条件同时满足时，可得：

再通过Laplace逆变换可得我们取得：

其中，

式中，为无量纲温度，T_z,τ为含水层内任意一点不同时刻的温度，T₀为含水层内的初始温度，T_s为上边界面温度，α_c为热传导条件下的热扩散率，τ为时间，erf(η)为误差函数，erfc(η)为余误差函数。

应用半无限大物体一维热传导物理模型实验，将试验结果通过解析参数拟合计算获得了热扩散率α_c，利用探针法获得了实验材料骨架导热系数λ_s，将几种有效导热系数模型应用于传热过程的计算，选取了距离热源边界面以下z₁＝0.08m与z₂＝0.18m两个测点。

如图8中给出了四组解析解标准曲线，分别为两组试验结果与解析解对比曲线。从图中我们选取拟合较好的前400min的试验结果来计算热扩散率。

为了获得土柱中饱和黏土层的热扩散率α_c，采用解析拟合法求解，模型解析解为求逆变换可得：

令f(z,τ)＝arcerfc(θ(z,τ))；式变换为：

根据试验值画出f(z,τ)的实测点，通过最小二乘法拟合实测点，求得的拟合曲线方程为：f(0.08,τ)＝72.5276τ'+0.001；f(0.08,τ)＝16408057τ'-0.0005

从而求得直线的斜率k，计算出热扩散率：

α_c(z1＝0.08)＝3.082×10^-7；α_c(z2＝0.18)＝2.942×10^-7,,取其平均值α_c＝3.012e-7。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。