CN110108750A - 一种交叉裂隙渗流传热实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种交叉裂隙渗流传热实验装置及方法，装置包括：岩芯夹持系统，其内部设有用以容纳裂隙试件的密闭的岩芯室，所述第一侧壁上还设有用以向所述裂隙试件中的裂隙注水的注水口，所述岩芯夹持系统的顶壁采用有机玻璃；注水泵，其通过注水管路与所述注水口连通，用以控制所述裂隙试件的渗流情况；红外相机，其设于所述岩芯夹持系统的顶端，用以采集所述裂隙试件的热场分布情况；PIV专用相机，其设于所述岩芯夹持系统的顶端，用以采集所述裂隙试件的流场分布情况；控制分析系统，通过控制不同位置处所述电阻丝的加热，获取不同热源分布情况下、试件内的温度场及流场随时间的分布情况。

Description

一种交叉裂隙渗流传热实验装置及方法

技术领域

本公开一般涉及实验测量仪器技术领域，尤其涉及一种交叉裂隙渗流传热实验装置及方法。

背景技术

在核废物地质处置过程中，封存于地下处置库中的放射性核废物会长期地向周围岩体释放热量，导致岩体温度升高。由于处置库周围岩体本身一般都会存在一定数量的裂隙，开挖、爆破等施工过程以及处置库运营关闭期间核废物衰变放热和地质活动还会使岩体产生新的较大开度裂隙，岩体裂隙的渗透率远高于完整岩石的渗透率，裂隙水的形态和运动规律不仅能够影响处置库的阻滞能力，而且能够改变处置库围岩温度场的分布，因此研究裂隙岩体内裂隙水流动和岩石热传导之间的相互作用是评估核废物处置库安全运营的重要组成部分。

根据我国核废物处置库建设规划的具体情况，针对特定场区的岩体，研究岩石热传导和裂隙水流动传热之间的相互作用规律，分析其对处置库近场温度分布的影响，对评估核废物地质处置系统的阻滞行为和协调能力具有重要意义，并可以为我国地下处置库场址的最终确定以及地下试验室建设提供参考。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种交叉裂隙渗流传热实验方案，解决核废物处置库中无法精确得到交叉裂隙岩体渗流传热实验现象的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，包括：

岩芯夹持系统，其内部设有用以容纳裂隙试件的密闭的岩芯室，所述岩芯夹持系统的第一侧壁设有用以模拟热源的向所述裂隙试件加热的加热垫块，所述加热垫块的平面内分布有若干独立控制的电阻丝，所述第一侧壁上还设有用以向所述裂隙试件中的裂隙注水的注水口，所述岩芯夹持系统中与所述加热垫块对置的第二侧壁设有可拆卸的侧盖，所述岩芯夹持系统的顶壁采用透明材料；

注水泵，其通过注水管路与所述注水口连通，用以控制所述裂隙试件的渗流情况；

红外相机，其设于所述岩芯夹持系统的顶端，用以采集所述裂隙试件的热场分布情况；

PIV专用相机，其设于所述岩芯夹持系统的顶端，用以采集所述裂隙试件的流场分布情况；

控制分析系统，其与所述加热垫块、红外相机和PIV专用相机连接，通过控制不同位置处所述电阻丝的加热，获取不同热源分布情况下、试件内的温度场及流场随时间的分布情况。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

在本申请的某些实施例中，多个所述电阻丝沿横向和纵向均匀布置。

各个所述电阻丝通过相应的加热接头与控制分析系统连接。

在本申请的某些实施例中，所述岩芯室的侧壁设有隔热层，所述隔热层采用由有机硅化合物纤维制造而成的隔热棉。

在本申请的某些实施例中，所述隔热层的外侧设有防渗隔板。

在本申请的某些实施例中，所述侧盖上设有用以控制裂隙水流出的控制阀门，所述控制阀门与计量泵连接；所述裂隙试件包括主裂隙和若干支裂隙，所述主裂隙的末端和若干所述支裂隙的一端交叉，不同所述支裂隙的末端处于不同的水平高度，所述控制阀门与处于不同高度的所述支裂隙的末端位置相对应。这种设置方式可以更好的模拟

在本申请的某些实施例中，所述注水泵通过储水器与所述注水口连通，所述储水器的出水段设置温度计。

在本申请的某些实施例中，所述红外相机和所述PIV专用相机通过可调节高度的相机固定架设于所述岩芯夹持系统的上方。

在本申请的某些实施例中，所述相机固定架包括可伸缩的竖向支撑杆，所述竖向支撑杆的顶端连接水平滑轨槽，所述红外相机和所述PIV专用相机通过滑块设于所述水平滑轨槽内。

第二方面，本申请实施例还提供了一种交叉裂隙渗流传热实验方法，包括以下步骤：

通过对加热垫块中设定位置的电阻丝加热，模拟裂隙试件设定的热源分布情况；

设置注水泵的注水模式，确定所述裂隙试件的渗流约束条件；

通过红外相机实时获取所述裂隙试件的热场分布情况，通过PIV专用相机实时获取所述裂隙试件的流场分布情况，进而获得不同热源分布情况下、试件内的温度场及流场随时间的分布情况，确定裂隙岩体内裂隙水流动和岩石热传导之间的相互作用规律。

本申请实施例提供的交叉裂隙渗流传热实验方案，通过设于岩芯室一侧的加热垫块及其独立控制的电阻丝的设计，可以根据工程实际情况选择加热某几行或者某几列甚至某几根电阻丝，从而实现加热垫块可以产生不同的热量分布，更好的模拟实际工程中的热源分布。利用注水泵控制裂隙试件的渗流初始条件，红外相机和PIV相机同时工作，红外相机获取实验中试件的热量分布，PIV相机通过监控注入流体中的示踪粒子获取实验中流体流速等信息，即在实验中同时获得系统的温度场和流场分布，更有利于试验后的实验分析与对比，可以通过温度场和流场数据的对比，分析在不同流速相同初始加热温度情况下，试件内的温度场分布规律；或者在相同流速不同初始加热温度情况下，试件内的温度场分布规律；以及在相同流速相同初始加热温度情况下，试件内的不同位置（如交叉点和无交叉处）温度场及流场分布规律。通过实验得到的分布规律与数值模拟或理论解析得到的结果进行对比，相互验证，从而确定裂隙岩体内裂隙水流动和岩石热传导之间的相互作用规律。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了本申请实施例中交叉裂隙渗流传热实验装置的结构示意图；

图2示出了本申请实施例中Ⅰ-Ⅰ处剖视图；

图3示出了本申请实施例中Ⅱ-Ⅱ处剖视图；

图4示出了本申请实施例中加热垫块的结构示意图；

图5示出了本申请实施例中试件的示意图；

图6示出了本申请实施例中温度控制模块的电路图；

图7示出了本申请实施例中温度控制系统的示意图；

图8示出了本申请实施例中实验方法的流程图。

其中，1、加热垫块；2、裂隙；3、底部支座；4、岩心夹持系统；5、相机固定架；6、红外相机；7、相机连接端口；8、注入泵；9、注入储水器；10、数据采集板；11、加热接头；12、计量泵；13、计量储水器；14、控制系统；15、PIV专用相机；16、注入控制阀门；17、计量控制阀门；19、热绝缘材料；20、防渗隔板；21、岩芯室；22、电阻丝；23、控制线路；24、线路出口；25、试件；26、温度控制器；27、温度控制模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本申请实施例提供了一种交叉裂隙渗流传热实验装置，包括底部支座、岩芯夹持系统、图像采集系统、温度控制系统、注水系统、流量测量系统、控制系统。

其中，底部支座3的上表面为水平的工作面；岩心夹持系统4的底部固定在底部支座3上，相机固定架5的底部固定在底部支座3上。

具体的，岩心夹持系统4四周密闭且通过底面固定在底部支座上，其顶壁采用有机玻璃。岩芯夹持系统内设有岩芯室，岩芯室的左侧端头固定设有加热垫块1，保证加热垫块1与试件25可充分接触，右侧可拆卸用于装载试件25。左右侧端头留孔，用于安装流水连接管路。留孔处设有橡胶套和堵头，做到热绝缘、保温和防渗。岩心夹持系统内设有岩芯室，系统外壁与岩芯室之间采用复合层结构，内层设置热绝缘材料19，其中，热绝缘材料采用硅化物纤维制造而成的隔热棉，其具有稳定、耐高温、保温隔热效果佳等特点，有效的防止系统热量的散失，控制实验结果更精确。热绝缘材料的外侧设有防渗隔板20。岩芯室21内装有试件25，试件可制作成不同交叉角度、不同裂隙长度、不同裂隙粗糙度，探究其对渗流和传热规律影响。其中，裂隙试件的裂隙2包括主裂隙和若干支裂隙，其中主裂隙的末端和若干支裂隙的一端交叉，不同支裂隙的末端处于不同的水平高度，从而更好的模拟核废物储库中的裂隙分布情况。

图像采集系统包括相机固定架5、相机连接端口7、红外相机6、和PIV专用相机。相机固定架包括竖向支撑杆和水平支撑杆，其中竖向支撑杆的底端与底部支座固连，竖向支撑杆设置成为三级可伸缩，实现相机与试件之间的距离可调。竖向支撑杆的顶端与水平支撑杆的一端连接，水平支撑杆设有水平滑轨槽，相机连接端口7通过旋转接头设在水平滑轨槽内可以调整红外相机和PIV专用相机在水平面内的具体位置，通过旋转接头可以控制旋转接头在竖直面内的转动。

相机的具体位置可在实验前根据研究试件类型进行设置，红外相机和PIV相机在实验前确定好位置，保证可以捕捉到整个试件在整个实验过程的细观图像；红外相机和PIV相机同时工作，红外相机获取实验中试件的热量分布，PIV相机通过监控注入流体中的示踪粒子获取实验中流体流速等信息，即在实验中同时获得系统的温度场和流场分布，更有利于试验后的实验分析与对比，可以通过温度场和流场数据的对比，分析在不同流速相同初始加热温度情况下，试件内的温度场分布规律；或者在相同流速不同初始加热温度情况下，试件内的温度场分布规律；以及在相同流速相同初始加热温度情况下，试件内的不同位置（如交叉点和无交叉处）温度场及流场分布规律。通过实验得到的分布规律与数值模拟或理论解析得到的结果进行对比，相互验证。

温度控制系统包括加热垫块、温度控制器和USB数据采集板，加热垫块通过加热接头11与温度控制器连接。加热垫块的具体设置方式为：多个电阻丝22沿横向和纵向呈阵列布置，各个电阻丝之间相互独立。具体的如图4所示，在加热垫块上设有沿竖向布置的若干控制线路23，从控制线路中引出支线路，各支线路从线路出口24处引出，并通过加热接头与温度控制器中的温度控制模块连接。

温度控制系统还包括加热垫块、温度控制器和USB数据采集板，加热垫块中分布有若干电阻丝22，每根电阻丝均对应一个加热接头，每个加热接头均与温度控制器相应的温度控制模块连接，之后与USB数据采集板连接。每个温度控制模块的电路图如图6所示，该温度控制模块由电源电路、温度检测控制电路、LED温度显示电路和电加热器控制电路组成。

电路中，电源电路由电源变压器T、整流二极管VD1～VD4、三端稳压集成电路IC5和滤波电容C1组成；温度检测控制电路由温度传感器集成电路IC1、温度控制范围选择开关S、三端稳压集成电路IC2和电阻R1～R6组成；LED温度指示电路由电压基准源集成电路IC3、LED显示驱动集成电路IC4、电阻R8～R13和发光二极管VL1～VL10组成；电加热器控制电路由电阻R14、R15、电容C2、非门集成电路IC6 (D1～D4)、固态继电器KN和电加热器EH组成。交流220 V电压经T降压、VD1～VD4整流、IC5稳压及C1滤波后，为温度检测控制电路、LED温度显示电路和电加热器控制电路提供工作电压。

一个温度控制模块控制一根电阻丝，温度控制系统通过控制对每根电阻丝的供电情况，来控制相应的电阻丝的供热。

实验时，设置需要达到的温度后，加热垫块通过内部电阻丝进行加热直至达到设定温度，达到设定温度后，温度控制模块控制相应的电阻丝停止加热。

每个温度控制模块均连接USB数据采集板的一个USB接口，从而实现对每根电阻丝的温度控制和数据采集。可以理解的是，附图7中的连接线路是示意性的，其中连接各部件之间的一根线路指示一根总线缆，在总线缆中的若干支线路连接对应的温度控制模块和USB数据采集板的USB接口。

加热垫块设置于岩心夹持系统内侧最左端，与岩芯室中的试件紧密接触，在加热垫块与岩心夹持系统外壁之间也要设置隔热层，热绝缘材料以及防渗隔板，加热接头与数据采集板接口处要做特殊处理，做到绝热、防渗。在核废物地层中，高放废物中的放射性核素在衰变过程中放出衰变热，其作用相当于在地下介质场附加了一个热源。由于该热源产生热量的不均匀性、不确定性。因此在该实验装置中加热垫块则不能对试件均匀加热，又由于热量的不确定性，因此加热垫块不能只有一种加热模式。由于各个电阻丝相互独立，均由控制器控制，因此可根据具体工程实际情况选择加热某几行或者某几列甚至于某几根电阻丝，从而实现加热垫块可以产生不同的热量分布，更好的模拟实际工程中的热源分布。

注水系统包括注入泵8，与注入泵连通的注入储水器9，注入控制阀门16，连通管路，温度计量器等。注水时，通过可通过注入泵设置恒压模式注入或者恒流模式注入，注入储水器9出口处设置温度计量器用以测试注入水的初始温度，当按要求设置并注水完成时可关闭控制阀门，可注入时温度过高发生回流。在岩心夹持系统左侧预留孔处设置橡胶套和注水接头，接头一端连接注水系统的连接管路，一端连接试件裂隙开口。

流量测量系统包括计量泵12，与计量泵连通的计量储水器13，计量控制阀门17，连通管路，温度计量器等。在岩心夹持系统左侧预留孔处设置橡胶套和出水接头，一端与其连通的计量泵可测量注入压力及注入流量，另一端连接岩心夹持系统裂隙出口，在裂隙出口处分别设置控制阀门，可实现单出口或双出口的控制。

控制系统14与红外相机和PIV专用相机15连接，每隔设定时间，控制所述红外相机和PIV专用相机采集所述试件的细观图像；在实验前根据试件类型固定好所述红外相机和PIV专用相机的位置；还与温度控制系统中的温度计量器与数据采集板10连接，控制加热垫块达到试验设定的温度后保持恒温并收集热场有关数据。与注入泵和计量泵连接，控制流体的注入与收集，并采集相关数据。

本申请实施例还提供了一种交叉裂隙渗流传热实验装置的使用方法，包括以下步骤：

开始进行实验；

操作控制系统调整相机位置，智能确定最清晰的调教参数；

确定相机处于完整拍摄试件的最佳位置；

设置实验需要的初始温度及加热模式并操作加热垫块；

确定是否达到设定温度，当达到设定温度时，保持恒温。

一种交叉裂隙渗流传热实验方法，包括以下步骤：

通过对加热垫块中设定位置的电阻丝加热，模拟裂隙试件设定的热源分布情况；

设置注水泵的注水模式，确定所述裂隙试件的渗流约束条件；

通过红外相机实时获取所述裂隙试件的热场分布情况，通过PIV专用相机实时获取所述裂隙试件的流场分布情况，进而获得不同热源分布情况下、试件内的温度场及流场随时间的分布情况，确定裂隙岩体内裂隙水流动和岩石热传导之间的相互作用规律。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，包括：

岩芯夹持系统，其内部设有用以容纳裂隙试件的密闭的岩芯室，所述岩芯夹持系统的第一侧壁设有用以模拟热源的向所述裂隙试件加热的加热垫块，所述加热垫块的平面内分布有若干独立控制的电阻丝，所述第一侧壁上还设有用以向所述裂隙试件中的裂隙注水的注水口，所述岩芯夹持系统中与所述加热垫块对置的第二侧壁设有可拆卸的侧盖，所述岩芯夹持系统的顶壁采用有机玻璃；

注水泵，其通过注水管路与所述注水口连通，用以控制所述裂隙试件的渗流情况；

红外相机，其设于所述岩芯夹持系统的顶端，用以采集所述裂隙试件的热场分布情况；

PIV专用相机，其设于所述岩芯夹持系统的顶端，用以采集所述裂隙试件的流场分布情况；

控制分析系统，其与所述加热垫块、红外相机和PIV专用相机连接，通过控制不同位置处所述电阻丝的加热，获取不同热源分布情况下、试件内的温度场及流场随时间的分布情况。

2.根据权利要求1所述的一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，多个所述电阻丝沿横向和纵向均匀布置。

3.根据权利要求2所述的一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，各个所述电阻丝通过相应的加热接头与控制分析系统连接。

4.根据权利要求1所述的一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，所述岩芯室的侧壁设有隔热层，所述隔热层采用由有机硅化合物纤维制造而成的隔热棉。

5.根据权利要求4所述的一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，所述隔热层的外侧设有防渗隔板。

6.根据权利要求1所述的一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，所述侧盖上设有用以控制裂隙水流出的控制阀门，所述控制阀门与计量泵连接；所述裂隙试件包括主裂隙和若干支裂隙，所述主裂隙的末端和若干所述支裂隙的一端交叉，不同所述支裂隙的末端处于不同的水平高度，所述控制阀门与处于不同高度的所述支裂隙的末端位置相对应。

7.根据权利要求1所述的一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，所述注水泵通过储水器与所述注水口连通，所述储水器的出水段设置温度计。

8.根据权利要求1所述的一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，所述红外相机和所述PIV专用相机通过可调节高度的相机固定架设于所述岩芯夹持系统的上方。

9.根据权利要求8所述的一种交叉裂隙渗流传热实验装置，其特征在于，所述相机固定架包括可伸缩的竖向支撑杆，所述竖向支撑杆的顶端连接水平滑轨槽，所述红外相机和所述PIV专用相机通过滑块设于所述水平滑轨槽内。

10.一种交叉裂隙渗流传热实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过对加热垫块中设定位置的电阻丝加热，模拟裂隙试件设定的热源分布情况；

设置注水泵的注水模式，确定所述裂隙试件的渗流约束条件；

通过红外相机实时获取所述裂隙试件的热场分布情况，通过PIV专用相机实时获取所述裂隙试件的流场分布情况，进而获得不同热源分布情况下、试件内的温度场及流场随时间的分布情况，确定裂隙岩体内裂隙水流动和岩石热传导之间的相互作用规律。