CN103115937A - 多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，包括砂槽主体结构，水位调节循环装置，温度自动采集装置和恒温定流量注水装置，通过玻璃转子流量计，单片机，钢丝笼节点布置的温度传感器以及自吸泵和溢水桶等结构，实现了试验基本物理参数的测定，试验数据的精确自动采集，实验系统的自动工作与实验工况的调整，具有设计简洁，操作简便，满足多种条件下水-热耦合室内物理模拟等优点。

Description

多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统

技术领域

本发明涉及多孔介质中地下水流与热量耦合传热与储能问题的试验模型系统，特别是多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统。

背景技术

 砂槽内模拟的含水层属多孔介质的，地下水作为流体赋存在含水层孔隙中，并在其内流动，含水介质中热量运移是一个复杂的水-热-压力三场耦合问题，需要同时考虑水流、热量以及含水层上覆荷载的大小。在相同压力条件下，当地下水发生流动时，地下水中的热量运移主要通过对流（强迫对流）以及热动力弥散作用来实现，热动力弥散包括热传导和热机械弥散两部分。含水介质中地下水流动或静止、流速快慢、含水介质性质差异、抽-灌水温差等因素都会对含水介质中地下水流-热量耦合运移存在影响。另外，含水介质内部的热量运移形式还包括自然对流、水与含水介质骨架间的热传导等过程，这些作用虽然较为微弱、对热量运移的影响较小，但在不同的热源条件下自然对流对温度场计算结果的影响往往又不能忽略。在多孔介质热量运移和储能研究中，研究的数据大多来源于实际工程，然而由于野外地质条件复杂，试验操作难度大，数据不易监测等问题的存在，大量理论研究需要的数据难以获得，数据连续性差，导致理论研究滞后于工程应用，相对于国外研究，我国利用室内物理模型对水热耦合机理研究更显不足。因此，如何选择物理化全面相似的室内砂槽物理模型以及围绕试验模拟开展过程中需要的水位调节循环装置、恒温恒量注水装置、数据自动采集装置等一整套试验系统的开发显的尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于：

本发明的目的是针对含水层水-热耦合室内理论试验研究存在的不足，提供了一套结构简单，操作方便、试验功能多，用于研究多种条件下含水层水热耦合温度场变化规律以及对含水层一系列水热参数的精确测定与反演、解析解验证、数值模拟等多功能试验系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，所述的模型试验系统包括砂槽箱，水位调节循环装置，温度自动采集装置和恒温定流量注水装置；

所述砂槽箱包括若干实验井，多孔介质，测压软管，玻璃转子流量计，加热装置，砂槽箱外体和多孔介质，所述砂槽箱外体底部设置有数目实验井相等的测压软管和玻璃转子流量计，所述玻璃转子流量计通过测压软管和实验井底部连通，在所述任意一口试验井中安装有加热装置；

所述水位调节循环装置包括装置外筒和自吸泵，所述装置外筒和砂槽箱外体通过低渗透材料连通；

所述温度自动采集装置包括温度传感器和温度自动采集器，所述温度传感器设置于所述砂槽箱的多孔介质中，另一端与温度自动采集器连接；

所述恒温定流量注水装置包括自吸泵，注水桶，加热装置和转子流量计，所述自吸泵通过转子流量计与所述实验井连接，所述加热装置设置在注水桶中，所述自吸泵另一端和钢桶连接。

作为本发明的进一步创新，所述多孔介质下部铺设有隔热材料，上部逐层铺设有隔热材料，隔水介质和加压顶板。

作为本发明的进一步创新，所述自吸泵和玻璃转子流量计之间设置有三通和三通开关，所述三通开关和自吸泵通过三通互相连通，三通的另外一端通过导管通入注水桶中，三通开关的另一端和玻璃转子流量计连接，所述供水桶和实验井中设置有温度传感器，所述自吸泵、温度传感器和注水桶中的加热装置均连接在单片机上，所述供水桶中设置有搅拌机。通过如上装置，使水温保持在恒温控制系统设定的温度范围内，当温度低于设定最低温度时，自动加热，当温度高于设定最高温度时，启动水泵抽水降温，使注水桶和试验井中的水保持一个恒定的温度，同时通过玻璃转子流量计可以实时的监测到水的流量，更进一步的增加了试验系统使用的方便性和自动化，试验数据也更加精确（0.1-1L/h），稳定性强，造价成本也低，整个恒温恒量系统的成本价是市场上现有蠕动泵价格的1/4左右，此套设备不仅可以用于实验室，同时也可以进行野外场地的实验。

作为本发明的进一步创新，所述的恒温定流量注水装置设置有供水桶，所述注水桶与供水桶通过水平连通管连接，供水桶内安装有溢出管，所述恒温定流量注水装置设置有回水池，所述回水池通过软管与一自吸泵相连接，所述自吸泵通过软管与供水桶相连接，所述溢出管另一端与集水池连接，通过加装供水桶实现水的恒量添加，保证注水桶的水量的恒定，同时又防止了水的浪费。

作为本发明的进一步创新，所述水位调节循环装置的外筒内设置有水箱、溢水圆柱筒、旋转螺丝、过水软管、进水软管和测压软管，所述水箱的上端部开口处安装有一带螺纹孔的金属片，所述旋转螺丝安装在金属片的螺纹孔中，溢水圆柱筒固定于旋转螺丝的下端，在水箱的底部设置有蓄水槽，所述溢水圆柱筒与蓄水槽连通，所述自吸泵一端与过水软管一段连接，另一端与蓄水槽连接，所述过水软管另一端设置在水箱外壁上端部，所述测压软管连接在水箱底部。

作为本发明的进一步创新，所述的温度自动采集器包括系统开关、电源插座、温度探头插座，单片机和显示元件，所述测温元件采用DS18B20测温元件，所述测温元件采用单总线的方式与单片机连接，所述测温元件通过插接在温度探头插座上与单片机的连接，所述单片机采用型号为89S51的单片机系统，所述测温元件采用单总线的方式连接，所述显示元件采用1602LED显示元件与单片机连接，所述单片机通过串口和计算机连接。

作为本发明的进一步创新，所述的砂槽箱中设置有若干层钢丝网，所述温度传感器的感应元件设置在钢丝网的节点上。

作为本发明的进一步创新，所述单片机使用型号为AT89S52的单片机，并且通过RS232总线与计算机相连接，所述的温度传感器使用型号为BS18B20的测温元件。具有硬件电路简单，软件操作方便，温度采样精度高（0.0625°C）、功能强，体积小，简单灵活等优点，可以应用于控制温度在-55℃到+125℃之间的各种场合，可以实现温度的实时采集、测点温度曲线实时显示功能，通过RS232与上位计算机的组合，可以设置不同采集频率进行温度的采集，上传到上位计算机，以供查询和保存。

作为本发明的进一步创新，所述试验井数量至少为两口，试验井的尺寸和数量以及组合形式根据具体试验参数要求选择设置，其中所述恒温定流量注水装置，至少与一口试验井相连接。通过如上技术方案，可以选择安装恒热源的试验井进行恒热源条件下的自然对流试验研究，可以进行异井抽-灌，单抽单灌，不作为主井的试验井可以作为观测井使用。通过对不同井的选择和组合，来实现在不同尺寸和位置试验状况下，工况参数的测试，满足了异井试验的要求。获得了不同试验条件与边界条件下的试验数据，满足了科学研究的需要。

作为本发明的进一步创新，所述的砂槽箱主要结构体为砖混材质，在内壁镶嵌钢化玻璃。此种结构，砖混材质，不仅强度好，受温度等外界影响也小，在内壁镶嵌钢化玻璃，使内部试验结构便于清洁，防水性也好，不易受腐蚀。进一步保证了试验的稳定性和精确性。

本发明的有益效果是：砂槽主体结构设计简洁，操作方便，多口试验井的设计满足了异井试验的要求，预置钢丝笼的温度传感器布置巧妙，抽水采用井底部抽水比传统抽水泵抽水更简单；水位控制装置可以模拟试验中不同地下水流速，水循环装置的运用不会造成试验过程中水的浪费；系统中引入的恒量控制装置解决了试验中对稳定流量注水的要求，精度较高（0.1-1L/h），稳定性强，造价成本低，是市场上现有蠕动泵价格的1/4左右,而且蠕动泵流量相对较小，不能满足大尺度室内试验的要求；恒温控制装置的运用，能够提供恒定热源，两者结合满足了试验中对水源恒温恒量注水的要求。系统中采用的多点温度自动采集系统具有硬件电路简单，软件操作方便，温度采样精度高（0.0625°C）、功能强，体积小，简单灵活等优点，可以应用于控制温度在-55℃到+125℃之间的各种场合，可以实现温度的实时采集、测点温度曲线实时显示功能。

附图说明

图1砂槽物理模型试验系统砂槽箱的结构示意图。

图2进出水箱的结构示意图。

图3恒温定流量注水装置的结构示意图。

图4多点温度自动采集系统的外观设计图。

具体实施方式

下面结合附图做进一步的说明

对照图1 本发明由砂槽框架结构1包括底座和两侧进、出水箱13、5组成，砂槽内由底向上铺设隔热材料14、多孔介质15、隔热材料14、隔水介质12、加压顶板6，其中，试验井11等距分布在砂槽内，每口井底装有测压软管19，槽内采用钢丝笼固定方式布置温度传感器20，10为传感器线路出口，在井W3中预置加热棒9与恒温控制装置8连接，温度传感器20通过串口与温度采集系统7连接，试验系统的水位调节装置通过旋转圆柱筒3、自吸泵13、循环水池共同组成一个环路装置，进、出水箱14、4与多孔介质含水层16之间填充低渗透材料2，在进出水箱的下部还设置有蓄水槽17来收集回溢出圆柱筒中溢出的水，在试验井的底部还连接有测压软管18，在竖直时可以直接观测得到井中水的压力，在恒置时，可以通过玻璃转子流量计来获取水的流速。

对照图2，本装置是水位调节示意图，它是砂槽结构的一部分，它由溢水圆柱筒1、进水口2、旋转螺丝 3、过水软管4、自吸泵5五部分组成，具体的水位调节实施过程是利用进水口2进水，通过旋转螺丝3的旋转带动溢水圆柱筒1的上下移动，控制进、出水箱两端的水位差，实现控制流速的目的。

对照图3本发明主要是能够实现恒温恒量注水控制的装置，它是由试验井1、注水温度传感器2、3芯导线（细线）3、单片机恒温系统4、水源温度传感器5、回水管6、加热棒组7、回水管8、增压泵9、三通10、三通开关11、连接软管（粗线）12、玻璃转子流量计13、水平连通管14、搅拌器15、注水桶16、供水桶17、补给进水口18、自吸泵19、开关20、溢出管21、集水池22等部分组成，单片机恒温系统4，它基于单片机AT89S52的温度检测恒温系统，主要以广泛应用的DS18B20作为温度检测器件，该仪器具有测量精度高、硬件电路简单、并能很好的进行显示，可测试不同环境温度的特点。另外和控制电路相连，可以对加温电路的控制，使温度参数在预先设定的范围内，不需要人的直接参与。本系统还通过RS232和上位计算机相连，可以设置每隔一定的时间进行温度的采集，上传到上位计算机，以供查询和保存。整个恒温恒量系统实现过程如下：注水桶16与供水桶17通过水平连通管14连接，供水桶17内安装有溢出管21，水位比水平连通管14略高，通过自吸泵19从集水池22中向供水桶17抽水，水位超过溢出管21时水溢出流回集水池21，这样，随着增压泵9不断的向试验井1中注水，注水桶16内水位随之降低，供水桶17通过连通管14向注水桶16不断补给水源，保证了注水桶16中水量的恒定；单片机恒温系统4可以通过注水口温度传感器2监测注水桶16内水温信号通过继电器控制加热棒的开启，本装置中加热棒组7有多个加热棒组成，可以根据注水流量的需要调整加热棒开启的数量，工作时，开启搅拌器15，使注水桶16内的水保持循环状态，从而保证水温分布均匀，在系统设定的温度范围内，通过注水温度传感器 3测定注水桶16内温度，单片机恒温系统4可以实现当桶内温度低于设定温度时，自动开启，当温度高于设定温度时，断开加热棒，使钢桶内水保持恒温状态，并且，为了保证在不同连接软管12的长度变化与不同季节温差条件下热量在线路上的损失，可以通过热水源温度传感器 6实时监测出口水温及时调整系统内的温度设定；在三通10的直通两端，其中，一端连接三通开关11,11再与转子流量计13连接，另一端连接回水管8，第三个出口与增压泵9连接，同时，增压泵接入进水管6，这样，左边铁桶内的恒温水可以通过此种连接方式实现恒量抽水，试验开始时，启动增压泵9，通过三通开关11的调整并观测转子流量计表盘读数控制试验所需流量，从而达到了恒温恒量注水的试验要求。

 对照图4是多点温度自动采集系统的外观设计图，主要有系统开关1、 电源插座2、温度探头接插件3三部分组成，其中，温度探头接插件的选择方便多点温度测量，更换探头方便快捷。在本系统中利用DS18B20进行测温，基于单片机AT89S51进行数据处理，1602显示，具有硬件电路简单，温度采样精度高、功能强，体积小，简单灵活等优点，可以应用于控制温度在-55℃到+125℃之间的各种场合，可以实现温度的实时采集、显示功能。本发明中采用DS18B20数字温度传感器和89S51单片机构成的多路测温系统，采用单总线的方式（一根数据线，在一个I/O口上），可以在单总线上挂接多个18B20，在MCU控制下巡回检测多点温度，通过串口和计算机连接，实时保存采集数据，在不具备计算机现场采集的场所可以扩展485总线、小无线等模式进行远距离传输等功能。 

Claims (10)

1.一种多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述的模型试验系统包括砂槽箱，水位调节循环装置，温度自动采集装置和恒温定流量注水装置；

所述砂槽箱包括若干实验井，多孔介质，测压软管，玻璃转子流量计，加热装置，砂槽箱外体和多孔介质，所述砂槽箱外体底部设置有数目实验井相等的测压软管和玻璃转子流量计，所述玻璃转子流量计通过测压软管和实验井底部连通，在所述任意一口试验井中安装有加热装置；

所述水位调节循环装置包括装置外筒和自吸泵，所述装置外筒和砂槽箱外体通过低渗透材料连通；

所述温度自动采集装置包括温度传感器和温度自动采集器，所述温度传感器设置于所述砂槽箱的多孔介质中，另一端与温度自动采集器连接；

所述恒温定流量注水装置包括自吸泵，注水桶，加热装置和转子流量计，所述自吸泵通过转子流量计与所述实验井连接，所述加热装置设置在注水桶中，所述自吸泵另一端和钢桶连接。

2.如权利要求1所述的一种多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述多孔介质下部铺设有隔热材料，上部逐层铺设有隔热材料，隔水介质和加压顶板。

3.如权利要求1所述的一种多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述恒温定流量注水装置的自吸泵和玻璃转子流量计之间设置有三通和三通开关，所述三通开关和自吸泵通过三通互相连通，三通的另外一端通过导管通入注水桶中，三通开关的另一端和玻璃转子流量计连接，所述供水桶和实验井中设置有温度传感器，所述自吸泵、温度传感器和注水桶中的加热装置均连接在单片机上，所述注水桶中设置有搅拌机。

4.如权利要求3所述的多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述的恒温定流量注水装置设置有供水桶，所述注水桶与供水桶通过水平连通管连接，供水桶内安装有溢出管，所述恒温定流量注水装置设置有回水池，所述回水池通过软管与一自吸泵相连接，所述自吸泵通过软管与供水桶相连接，所述溢出管另一端与集水池连接。

5.如权利要求1所述的多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述水位调节循环装置的外筒内设置有水箱、溢水圆柱筒、旋转螺丝、过水软管、进水软管和测压软管，所述水箱的上端部开口处安装有一带螺纹孔的金属片，所述旋转螺丝安装在金属片的螺纹孔中，溢水圆柱筒固定于旋转螺丝的下端，在水箱的底部设置有蓄水槽，所述溢水圆柱筒与蓄水槽连通，所述自吸泵一端与过水软管一段连接，另一端与蓄水槽连接，所述过水软管另一端设置在水箱外壁上端部，所述测压软管连接在水箱底部。

6.如权利要求1所述的多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述的温度自动采集器包括系统开关、电源插座、温度探头插座，单片机和显示元件，所述测温元件采用DS18B20测温元件，所述测温元件采用单总线的方式与单片机连接，所述测温元件通过插接在温度探头插座上与单片机的连接，所述单片机采用型号为89S51的单片机系统，所述测温元件采用单总线的方式连接，所述显示元件采用1602LED显示元件与单片机连接，所述单片机通过串口和计算机连接。

7. 如权利要求1所述的多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述的砂槽箱中设置有若干层钢丝网，所述温度传感器的感应元件设置在钢丝网的节点上。

8.如权利要求3所述的多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述单片机使用型号为AT89S52的单片机，并且通过RS232总线与计算机相连接，所述的温度传感器使用型号为BS18B20的测温元件。

9.如权利要求1所述的多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述试验井数量至少为两口，试验井的尺寸和数量以及组合形式根据具体试验参数要求选择设置，其中所述恒温定流量注水装置，至少与一口试验井相连接。

10.如权利要求1所述的多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，其特征是，所述的砂槽箱主要结构体为砖混材质，在内壁镶嵌钢化玻璃。

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