一种模拟高压冰层的实验系统的制作方法

本发明涉及一种实验系统，尤其涉及一种模拟高压冰层的实验系统及实验方法。

背景技术：

极地钻探是极地科考的重要方法之一，而钻取更深层的极地冰芯也是深入开展极地科考的重要手段。在极地环境中，深层冰层受到的上覆压力明显高于浅层冰层。这导致冰芯钻机在浅层冰层和深层冰层的工作状态会有些许不同，尤其是当冰层压力较大时。因此，急需设计一种合理的高压冰层实验系统，模拟不同压力、不同温度的冰层，并能够进行冰芯钻探实验，有利于科学指导真实极地环境的科考工作，对深入开展极地研究具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种模拟高压冰层的实验系统及实验方法，能够控制冰层压力和温度，以模拟极地环境中高压冰层。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种模拟高压冰层的实验系统，包括承压筒、冷凝管、机架、制冷机、控制台、传感器，所述的承压筒内填充有介质，并设置有传感器，所述的承压筒外侧套设有冷凝管，所述的冷凝管外侧设置有机架，所述的冷凝管与所述的制冷机连接，所述的制冷机能够通过所述冷凝管将所述介质由液态凝固为固态，所述的控制台与所述的制冷机连接，所述的控制台与所述传感器连接。

进一步的，所述的模拟高压冰层的实验系统还包括保温层，所述的保温层设置在所述冷凝管与所述机架之间。保温层的设置能够减少冷凝管热量散失。

进一步的，所述传感器包括温度传感器、压力传感器和位移传感器。

进一步的，所述的控制台与所述的制冷机通过rs485或rs232串口连接，所述的控制台与所述传感器通过rs485或rs232串口连接。通过控制台对冰层的温度和压力进行控制。

进一步的，所述的冷凝管螺旋状环绕设置在所述承压筒外侧。

进一步的，所述制冷机的功率应不小于10kw。

进一步的，所述承压筒的高度大于10m。

具体的，一种模拟高压冰层的实验方法，采用所述的模拟高压冰层的实验系统，包括以下步骤：

s1：组装实验系统，在控制台输入承压筒内半径b与外半径c的数值；

s2：向承压筒内注水；

s3：控制台控制开启制冷机；

s4：温度传感器对承压筒的筒壁温度t进行实时采集，压力传感器对承压筒的筒壁压力p进行实时采集，位移传感器对承压筒内半径伸长量δ进行实时采集，将采集的温度t、压力p、内半径伸长量δ数值传输给控制台；

s5：控制台内将当前温度t下采集的压力值p、内半径伸长量δ数值进行判断，是否满足预设值，如果否，更换不同内半径b和/或外半径c的承压筒，返回s1；如果是，控制台控制冰层温度t、压力p保持恒定。

为便于实施冰层钻探，所述承压筒的内半径b的值为200mm，或100mm，或300mm，外半径c的值根据拟实现冰层压力的值进行计算和设计。

本发明提到的一种模拟高压冰层的实验系统及实验方法，可准确模拟出不同温度和不同压力的极地冰层环境，有利于充分开展极地科考前钻探等预实验；该系统可准确实现冰层压力和温度的控制，能准确模拟极地深层的高压冰层环境；该系统以及实验方法能够推广到其他需要模拟不同温度与压力的结冰介质环境中。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的模拟高压冰层的实验系统示意图；

图2为本发明实施例所述的承压管的结构示意图。

附图标记说明：

1、机架；2、保温层；3、冷凝管；4、介质；5、承压筒；6、控制台；7、制冷机；8、传感器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中涉及“第一”、“第二”、“上”、“下”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“上”、“下”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当实施例之间的技术方案能够实现结合的，均在本发明要求的保护范围之内。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种模拟高压冰层的实验系统，包括承压筒5、冷凝管3、机架1、制冷机7、控制台6、传感器8、保温层2，所述的承压筒5内侧填充有介质4，所述的承压筒5外侧套设有冷凝管3，所述的冷凝管3螺旋状环绕设置在所述承压筒5外侧，所述的冷凝管3外侧设置有机架1，机架1对承压筒5、冷凝管3、保温层2、传感器8、控制台6等起支撑作用，所述的冷凝管3与所述的制冷机7连接，所述的制冷机7能够通过所述冷凝管3将所述介质4由液态凝固为固态，所述的保温层2设置在所述冷凝管3与所述机架1之间。保温层2的设置能够减少冷凝管3热量散失。

承压筒3内的介质4为水，当温度进一步下降到熔点，水凝结成冰。

进一步的，所述承压筒5内设置的传感器8有温度传感器、压力传感器和位移传感器。传感器8能够实时测量承压筒5内的温度、压力以及内半径的伸长量，并及时反馈给控制台6。

进一步的，所述的控制台6与所述的制冷机7通过rs485或rs232串口连接，所述的控制台6与所述传感器8通过rs485或rs232串口连接。通过控制台对冰层的温度和压力进行控制。

当水凝固为冰时，其体积会有9％的膨胀量。由于承压筒5的限制，冰的体积无法自由膨胀，会被压缩与密闭空间，使其内部产生压力，即实现高压冰层的模拟。

首先对承压筒5的结构尺寸进行计算，设计承压筒5为圆柱形，考虑到冰层钻探的实际特点，需设计承压筒5的高度大于10m。假设承压筒5内半径为b，外半径为c，所用材料的弹性模量和泊松比分别为e和μ，那么，当冰层压力为p时，稳定状态下承压筒5内半径的伸长量为δ＝[(c^2+b^2)/(c^2-b^2)+μ]*bp/e(1)

在水凝固为冰的过程中，冰的体积膨胀量被限制，其内部产生的压力为

p＝b*δv/vi(2)

其中，为b为冰的体积弹性模量，b＝2.00*10^9n/m^2；vi为冰自由膨胀后的体积，考虑到承压筒5的结构，高度方向的尺寸明显大于直径尺寸，故利用平面应变模型进行分析，令vi＝1.09πb^2；δv为冰被压缩时的体积减小量，δv＝1.09πb^2-π(b+δ)^2。

具体的实验方法如下：

s1：组装实验系统，在控制台6输入承压筒5内半径b与外半径c的数值；

s2：向承压筒5内注水；

s3：控制台6控制开启制冷机7；

s4：温度传感器对承压筒5的筒壁温度t进行实时采集，压力传感器对承压筒5的筒壁压力p进行实时采集，位移传感器对承压筒5内半径伸长量δ进行实时采集，将采集的温度t、压力p、内半径伸长量δ数值传输给控制台6；

s5：控制台6将当前温度t下采集的压力值p、内半径伸长量δ数值进行判断，是否满足预设值，如果否，更换不同内半径b和/或外半径c的承压筒5，返回s1；如果是，控制台6控制冰层温度t、压力p保持恒定。为便于实现冰层钻探，所述承压筒5的内半径b的值为200mm，或100mm，或300mm，外半径c的值根据拟实现冰层压力的值进行计算和设计。

实施例一，假设承压筒5所用材料为45#结构钢，那么e＝210gpa，μ＝0.3。设计承压筒5内半径b为200mm，将实验系统组装好后，将承压筒5的各参数输入控制台6，开启制冷机7，对承压筒5内注入的水进行降温，实时采集温度t、压力p和内半径伸长量δ的值，并反馈到控制台，控制台将所有公式和数值代入公式(1)，可以得到承压筒5内半径伸长量δ与承压筒5外半径c以及冰层压力p的对应关系，如表1所示。

表1

实施例二，改变承压筒5内半径b的初始条件，设置为100mm，相应的承压筒5结构尺寸和冰层压力如表2所示，其他设置同实施例一。

表2

实施例三，改变承压筒5内半径b的初始条件，设置为300mm，相应的承压筒5结构尺寸和冰层压力如表3所示，其他设置同实施例一。

表3

参照表中数据设计承压筒5的结构尺寸，即可实现相应冰层压力的模拟。由于高压冰层中冰的熔点低于大气环境中冰的熔点，为保证制冷效果，需要制冷机7有较大的功率。以承压筒5内半径200mm、高度10m为例，综合考虑热效率、制冷时间等因素，所需制冷机7的功率应不小于10kw。合理调整控制台6参数，调控制冷机7，实现对冰层温度的控制。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。