一种高寒区隧道温度场实验装置及其实验方法与流程

本发明涉及隧道工况模拟技术领域，具体涉及一种高寒区隧道温度场实验装置及其实验方法。

背景技术：

大量冻害资料显示，高寒区隧道冻害问题一直是困扰着国内外高寒区隧道工程的发展。目前，国内外高寒区隧道保温排水技术存在一定的问题，主要体现在高寒区隧道保温排水技术以经验为主，缺少理论和数据支撑。高寒区隧道的保温排水设计工作，多采用经验法施工和工程类比法施工，没有形成系统的、科学的保温排水技术，导致高寒区隧道冻害问题频繁发生。温度是引起冻害发生的先决条件，要想解决冻害问题，应该首先搞清楚高寒区隧道温度场的变化规律。温度是诱发高寒区隧道发生冻害的主要原因，目前，整个行业缺乏长期运营条件下铁路隧道温度的实测资料，以及由于诸多因素条件影响下温度场变化规律的研究。因此，研究高寒区铁路隧道温度场变化规律具有重要意义。

目前，有的机构研发出了寒区隧道的实验装置，但是，该实验装置因为设计缺陷，没办法模拟很多复杂工况。

例如，中国实用新型专利201520669627.6公开了一种寒区隧道室内试验装置，包括隧道结构模拟构件和保温构件，所述的隧道结构模拟构件模拟隧道的结构和形状，所述的保温构件设置在隧道模拟构件的两端，保温构件和隧道结构模拟构件围成密封的腔体；所述的隧道结构模拟构件包括由内到外依次设置的保温层、二次衬砌层、防水层、初期支护层、围岩层、控温层和绝缘层。本发明能够模拟电伴热系统下隧道的温度场，从而为寒区隧道保温设计提供依据，也能对保温层和加热电缆设计参数进行优化。

现有技术中的寒区隧道室内试验装置，通过模拟出了一个隧道的环境来检测隧道内的温度场变化，该装置只考虑到隧道地温对隧道温度的影响，对于影响隧道内温度场的其他因素未做考虑，因此，得出的数据不够准确。

现有技术中的寒区隧道室内试验装置由于自身结构方面的限制而存在着缺陷，难以适应当今铁路隧道的发展趋势和铁路隧道设计的实际需求。为了克服上述现有技术存在缺 陷，本发明人结合多年对铁路隧道的科研与设计经验，提出一种高寒区隧道温度场实验装置及其实验方法。

技术实现要素：

为了尽可能的接近铁路隧道的工况，本发明提供一种高寒区隧道温度场实验装置及其实验方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种高寒区隧道温度场实验装置，包括列车运动模拟装置、温度调节装置和信息采集及处理装置；所述列车运动模拟装置包括列车驱动装置、列车模型和隧道模型；所述列车模型能够滑动的固定在列车驱动装置上，所述列车驱动装置固定于隧道模型中；所述温度调节装置包括隧道洞口外温度调节装置和隧道内地温调节装置；所述隧道洞口外温度调节装置包括制冷风机、与制冷风机的出风口相连通的冷域环境和与制冷风机的进风口相连通的回收区间；所述隧道内地温调节装置包括恒温水箱、抽水泵和位于隧道模型中的储水空间；所述恒温水箱连通于储水空间的一端，储水空间的另一端连通于抽水泵，所述抽水泵连通于恒温水箱。

进一步地，所述信息采集及处理装置包括计算机、温度传感器和风速传感器；所述温度传感器和风速传感器分别连接与计算机；所述温度传感器、风速传感器设置于隧道模型洞内。

进一步地，所述温度传感器和风速传感器能够分别设置多台。

进一步地，所述列车驱动装置为直线电机。

进一步地，所述实验装置还包括自然风模拟装置，所述自然风模拟装置位于隧道模型洞内。

进一步地，所述列车运动模拟装置中隧道模型的长度为20.4m，所述隧道模型的材质为亚克力有机玻璃。

进一步地，所述列车运动模拟装置中列车模型以CRH380A和谐号模型为制作蓝本，模型比例为1:50。

一种高寒区铁路隧道温度场模型的试验方法，至少包括以下步骤：

1、利用隧道洞口外温度调节装置调节隧道洞口外环境气温，环境气温的变化范围为-5～-30℃，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

2、利用隧道内地温调节装置调节隧道内地温，地温的变化范围为0～40℃，利用信息 采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

3、利用隧道洞口外温度调节装置设定隧道洞口外环境气温，所述环境气温的设定范围为-5～-30℃，利用隧道内地温调节装置设定隧道内地温，所述地温的设定范围为0～40℃，通过调节自然风模拟装置的输出风速来调节隧道洞内风速，所述风速的调节范围在1～10m/s，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

4、利用隧道洞口外温度调节装置设定隧道洞口外环境气温，所述环境气温的设定范围为-5～-30℃，利用隧道内地温调节装置设定隧道内地温，所述地温的设定范围为0～40℃，通过设定自然风模拟装置的输出风速来设定隧道洞内风速，所述风速的设定范围在1～10m/s，通过调节列车驱动装置的速度来调节列车模型的运行速度，所述列车模型的运行速度的调节范围为1～20m/s，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

5、利用隧道洞口外温度调节装置设定隧道洞口外环境气温，所述环境气温的设定范围为-5～-30℃，利用隧道内地温调节装置设定隧道内地温，所述地温的设定范围为0～40℃，通过设定自然风模拟装置的输出风速来设定隧道洞内风速，所述风速的设定范围在1～10m/s，通过设定列车驱动装置的速度来设定列车模型的运行速度，所述列车模型的运行速度的设定范围为1～20m/s，通过调节列车驱动装置的频率来调节列车模型的运行频率，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

6、比较分析1-5中温度参数的变化，得出影响因素的变化和隧道内的温度参数的变化之间的关系。

进一步地，所述步骤1和步骤2中列车的运行速度和运行频率均为0，并且自然风模拟装置不工作。

进一步地，所述步骤3中列车的的运行速度和运行频率均为0。

与现有技术相比，本发明的优越效果在于：

1、本发明所述的高寒区隧道温度场实验装置，通过设置列车模拟装置、温度调节装置、自然风模拟装置和信息采集及处理装置使所述实验装置更大限度的接近高寒区隧道的实际工况。

2、本发明所述的高寒区隧道温度场实验装置的实验方法，在不同因素影响条件下对隧道内的温度进行采集，采集的数据更具有借鉴性。

附图说明

图1为本发明所述的实验装置的结构示意图；

图2为本发明所述的隧道洞口的结构示意图；

图3为本发明所述的隧道内地温调节装置的结构示意图；

图4为本发明所述的隧道洞口外温度调节装置的结构示意图；

图5为本发明所述的实验方法的流程示意图。

附图标记如下：

1-列车驱动装置、2-列车模型、3-隧道模型、4-储水空间、5-连接通道固定法兰、6-制冷风机、7-恒温水箱、8-计算机、9-冷域环境、10-温度传感器、11-风速传感器、12-列车驱动装置平台、13-回收区间、14-抽水泵、15-隧道内地温调节装置、16-隧道洞口外温度调节装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如附图1-附图4所示，本发明所述的高寒区隧道温度场实验装置，包括列车运动模拟装置、温度调节装置和信息采集及处理装置；所述列车运动模拟装置包括列车驱动装置1、列车模型2和隧道模型3；所述列车模型2能够滑动的固定在列车驱动装置1上，所述列车驱动装置1固定于隧道模型3中；所述温度调节装置包括隧道洞口外温度调节装置16和隧道内地温调节装置15；所述隧道洞口外温度调节装置16包括制冷风机6、与制冷风机6的出风口相连通的冷域环境9和与制冷风机6的进风口相连通的回收区间13；所述隧道内地温调节装置15包括恒温水箱7、抽水泵14和位于隧道模型3中的储水空间4；所述恒温水箱7连通于储水空间4的一端，储水空间4的另一端连通于抽水泵14，所述抽水泵14连通于恒温水箱7。

所述回收区间13能够为列车模型2制动和模拟隧道出口周围空气提供空间。

所述冷域环境9能够为列车模型2启动和模拟隧道进口周围空气提供空间。

通过设置回收区间13和冷域环境9使所述实验装置能够不受外界环境气温的干扰，能够更接近自然环境而进行实验。

所述信息采集及处理装置包括计算机8、温度传感器10和风速传感器11；所述温度传感器10和风速传感器11分别连接于计算机8；所述温度传感器10、风速传感器11设置于 隧道模型3洞内。

所述温度传感器10和风速传感器11能够分别设置多台。

所述列车驱动装置1为直线电机。

所述列车驱动装置1固定在列车驱动装置平台12上。

所述实验装置还包括自然风模拟装置，所述自然风模拟装置位于隧道模型3洞内。

所述列车运动模拟装置中的隧道模型3的长度为20.4m，所述隧道模型3的材质为亚克力有机玻璃。

所述隧道模型3的洞口尺寸依照列车模型的尺寸，依据实际列车隧道设计尺寸与列车尺寸的比例进行设置。

所述隧道模型3能够分段热压成型，再通过连接通道固定法兰5连接到一起。

所述隧道模型3采用亚克力有机玻璃的热压工艺制成，所述隧道模型3的内壁和外壁之间设置有半环状腔体，所述半环状腔体即为储水空间4。

所述列车运动模拟装置中列车模型2以CRH380A和谐号模型为制作蓝本，模型比例为1:50。

如附图5所示，本发明提供一种高寒区铁路隧道温度场模型的试验方法，至少包括以下步骤：

1、利用隧道洞口外温度调节装置调节隧道洞口外环境气温，环境气温的变化范围为-5～-30℃，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

2、利用隧道内地温调节装置调节隧道内地温，地温的变化范围为0～40℃，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

3、利用隧道洞口外温度调节装置设定隧道洞口外环境气温，所述环境气温的设定范围为-5～-30℃，利用隧道内地温调节装置设定隧道内地温，所述地温的设定范围为0～40℃，通过调节自然风模拟装置的输出风速来调节隧道洞内风速，所述风速的调节范围在1～10m/s，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

4、利用隧道洞口外温度调节装置设定隧道洞口外环境气温，所述环境气温的设定范围为-5～-30℃，利用隧道内地温调节装置设定隧道内地温，所述地温的设定范围为0～40℃，通过设定自然风模拟装置的输出风速来设定隧道洞内风速，所述风速的设定范围在1～10m/s，通过调节列车驱动装置1的速度来调节列车模型2的运行速度，所述列车模型2的运行速度的调节范围为1～20m/s，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

5、利用隧道洞口外温度调节装置设定隧道洞口外环境气温，所述环境气温的设定范围为-5～-30℃，利用隧道内地温调节装置设定隧道内地温，所述地温的设定范围为0～40℃，通过设定自然风模拟装置的输出风速来设定隧道洞内风速，所述风速的设定范围在1～10m/s，通过设定列车驱动装置1的速度来设定列车模型2的运行速度，所述列车模型2的运行速度的设定范围为1～20m/s，通过调节列车驱动装置1的频率来调节列车模型2的运行频率，利用信息采集及处理装置收集隧道内的温度参数；

6、比较分析1-5中温度参数的变化，得出影响因素的变化和隧道内的温度参数的变化之间的关系。

其中，信息采集及处理装置是指位于隧道洞内的温度传感器10和风速传感器11以及与它们相连接的计算机8，温度传感器10和风速传感器11传递采集数据到计算机8。

其中，列车模型2的运行频率以列车模型2通过1次/h、2次/h、3次/h的通过频率来设定及调整。

其中，自然风模拟装置的输出风方有与车运行方向相同和与车运行方向相反两个方向。

所述步骤1和步骤2中列车的运行速度和运行频率均为0，并且自然风模拟装置不工作。

所述步骤3中列车的的运行速度和运行频率均为0。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的保护范围。