CN110907331A - 土体一维热渗传递的模拟装置和实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了土体一维热渗传递的模拟装置和测量方法，恒温水浴箱内设有循环水泵通过管道使恒温水浴箱内的热水进行外部循环，采用强度高、韧性好、对螺丝结构表现力高的3D打印材料未来8000树脂(精度±0.1mm，最小壁厚0.8mm)设计打印，并采用螺旋拼接式的设计把土柱实验箱分为11节进行3D打印，左端1节设定为热源节，右端10节为土柱填装节,每一节的长度均为100mm。土柱填装部分还安装有若干个温度传感器，越靠近热源处布置越密集。热源节和土柱填装节之间用铜板隔开。发明的有益效果是测量土体时不会造成扰动，一体性好，测试精度高。
Description
技术领域
本发明属于环境岩土测试技术领域，涉及土体一维热渗传递的模拟装置和实现方法。
背景技术
土壤源地源热泵系统是通过地埋管与土壤进行热交换，管段既经过包气带，也经过饱水带，且大部分管段位于饱水带。固、液两相的饱和区(带)中，水分的运动以渗流的形式呈现，并会促进热量的传递。因而，饱和区土壤热量传递是一个热传导和对流换热并存的传热传质耦合过程。在实际工况下，合理考虑地下水的渗流作用，可有效改善地埋管长期运行所产生的热堆积现象，从而保证地源热泵系统能够长时间的高效运行。目前，国内外学者分别从模型实验、理论研究等不同角度对渗流条件下地埋管的传热效能进行研究，取得了一定较好的成果。但是，仍存在一些不足。一方面，目前关于热渗耦合模型传热研究，主要集中在理论及模拟的研究上，缺乏具体的实验验证。另一方面，对于模型实验，控制的基本都是竖向的渗流条件，很少考虑水平向的渗流。因此，研制一个可以模拟土壤在水平渗流条件下热量传递的实验装置是非常有必要的。探讨其在温度梯度和渗流梯度共同影响下的热渗迁移效应，为完善土壤的热渗传递理论模型提供基础的实验数据。
同时提供恒定温度的热源和水平渗流并产生耦合是该测试方法的关键。目前，实现热渗耦合的方法主要是在三维条件下，把二者分开提供很容易就可以做到。但在一维条件下需要的水平渗流条件下，再在注排水口端提供热源使其产生热量传递是比较难以实现的。另外，3D打印技术应用到实验模型制作是该装置的另一个关键部分。目前，模型箱的制作多采用普通材料进行加工制作，拼接部位则通过胶水进行处理，这种制作工艺往往可节约很多成本，但对于如嵌入式、螺旋式等比较复杂的设计就比较难实现。而且，对于用胶体拼接的部位的密封性和灵活性也不是很好。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可模拟土体一维热渗传递的装置，解决了现有的测量设备对土体有一定程度的扰动，且会影响热量在土体中的传导的问题。
本发明的另一个目的是提供按照土体一维热渗传递的模拟装置进行土体一维热渗传递的测量方法。
本发明所采用的技术方案是包括土柱实验箱和三大系统(恒温热循环系统、注排水渗流系统、综合测定系统)。恒温水浴箱，恒温水浴箱内装水，恒温水浴箱内还设有一个循环水泵，通过管道使恒温水浴箱内的热水进行外部循环，使恒温水浴箱内的热水在土柱实验箱中铜板的左端进行水循环，土柱实验箱箱长1116mm，圆截面内直径为88mm，土柱实验箱箱体采用采用强度高、韧性好、对螺丝结构表现力高的3D打印材料未来8000树脂(精度±0.1mm，最小壁厚0.8mm)设计打印，并采用螺旋拼接式的设计把土柱实验箱分为11节进行3D打印，左端1节设定为热源节，右端10节为土柱填装节,每一节的长度均为100mm。土柱填装部分还安装有若干个温度传感器，越靠近热源处布置越密集。热源节和土柱填装节之间用铜板隔开。
进一步，所述热源为通过循环泵使水在恒温水浴箱和热源节内进行水循环，热源节处与铜板进行密封，即可提供恒定的热源。
进一步，所述土柱实验箱的预留铜板嵌入的尺寸，铜板直径为90mm，使其螺旋拼接后达到固定效果。
进一步，所述钻孔分别在距铜板距离为50、75、150、175、250、275、350、375、450、550、650、750、850、950(单位：mm)处钻孔，孔径为10mm。
进一步，所述铜板将土柱实验箱分隔为两部分，左端为恒温加热部分，长为100mm，圆截面内直径为88mm；右端为填装土柱部分，总长为1000mm，圆截面内直径为88mm。
按照土体一维热渗传递的模拟装置进行土体一维热渗传递的测量方法，按照以下步骤进行：
步骤1：将砂土按3种工况进行试验(实验加热时间均为12h)：
第1种工况，正向渗流，相同干密度ρd、热源温度Ts、渗流温度T0，不同渗流速度u时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；
第2种工况，反向渗流，相同干密度ρd、热源温度Ts、渗流温度T0，不同渗流速度u时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；
第3种工况，无渗流，相同干密度ρd、热源温度Ts、初始温度T0时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；
步骤2：试验工况如下：根据渗流方向分为三种(渗流速度根据结果正、反向各选择3组工况进行对比)：
正向渗流：
①-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u1＝4.49×10-6m/s，t＝12h)；
①-2(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u2＝4.92×10-4m/s，t＝12h)；
①-3(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u3＝1.05×10-3m/s，t＝12h)；
反向渗流：
②-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u1'＝6.11×10-5m/s，t＝12h)；
②-2(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u2'＝2.22×10-4m/s，t＝12h)；
②-3(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u3'＝6.22×10-4m/s，t＝12h)；
无渗流：
③-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u0＝0m/s，t＝12h)。
本次实验采用渗透性较好的砂土作为研究对象，将避免土壤的固结与释水性压密，且均匀性易控制。由于夏季工况地埋管内循环水的温度范围大致为30～45℃，故热源温度选定为40℃。另外广西桂林地区5～6m以下地层的全年平均温度为21.6℃，所以地下水渗流的温度选定为21℃。
步骤3：实验过程；
1)准备土料：选择步骤2中的砂土放入105℃的烘箱中烘干、碾碎，称量按干密度计算得到的土柱所需砂土的质量；
2)装填砂箱：将砂土分层装填，并依次在指定位置埋入14个温度传感器，并用热熔硅胶进行密封，每一层埋入对应的传感器再螺旋拼装好上层的模具后击实土样，可防止土样因击实工作而损失。为了更好地达到防水要求，在模具拼接处再打一层热熔硅胶；
3)竖直注水饱和：竖直放置土柱端时，在最上层先螺旋拼装好一个备用模具，然后放入一个合适尺寸的透水石，再进行反复注水直至水位不再下降；
4)水平渗流饱和：水平去除备用模具后，将热源端与土柱端拼接并用热熔硅胶密封，完整的模型箱水平放置在平台上，一端作为注水口连接恒温水浴箱B，温度恒定在21℃，另一端作为排水口连接好水管朝上放置(控制水头差使其不排水，方便水管的连接)，再次控制水头差使模型箱持续渗流直到稳定(排水口用量杯计量)，此时需记录三次稳定的渗流速度，取平均值作为渗流速度；
5)包裹保温材料：为加强隔热效果，使热源处的热量可以沿土柱端进行扩散。先控制水头差使其不排水，再在箱体外包裹双层30mm厚的PVC/NBR橡塑保温材料；
6)设定热源：将恒温水浴箱A恒温水浴箱温度设定在40℃，开启循环水泵，作为试验的开始时间；
7)开启试验：试验开始，根据温度变化情况按0、0.25、0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3.5、4.5、5.5、7、8.5、10、12(单位：h)的时间间隔记录土柱温度的变化；
8)试验结束：连续加热12h后，试验结束，关闭循环水泵，作为试验的结束时间，完成实验；
本发明的有益效果是测量土体时不会造成扰动，一体性好，测试精度高。
附图说明
图1是本发明一维热渗传递的模拟装置结构示意图。
图中，1.恒温水浴箱A，恒温水浴箱，2.潜水泵，3.铜板温控器，4.恒温水浴箱B，5.温度传感器，6.土柱实验箱，7.注(排)水口，8.量杯，9.透水石。
具体实施方式
实施例：
试验装置如图1所示，建立的一维热渗传递实验台包括土柱实验箱和三大系统(恒温热循环系统、注排水渗流系统、综合测定系统)。实验时，实验箱中填入取自于广西桂林本地的砂土，通过注排水系统得到稳定渗流速度和初始温度后，再用潜水泵循环水产生恒定热源隔着导热铜板在实验箱一端进行加热，最后利用埋设的传感器测得不同时间段土柱中各测点的温度变化。
恒温热循环系统：
本系统先采用恒温水浴箱A1给实验台提供一个稳定的热源，然后通过循环泵2抽取的方式使水浴箱A1中的水通过水管流通到土柱试验箱6的左端热源部分，再流通回来。快速达到循环稳定后，热量即可通过铜板3传导至土柱箱6右端的饱和土体部分。具体配件信息如下：
恒温水浴箱：恒温水浴箱A双孔数显恒温水浴箱A1，水温波动≤0.5℃。恒温水浴箱内胆尺寸为300*180*90(单位：mm)。
循环泵：由于系统阻力较小，采用1个可调节流量的YLJ-2000型潜水泵2，最大扬程为2.1m，最大流量为2000L/h。
T2紫铜板：有良好的导热性能，易加工可塑性强，适用于做集热、导热器材。使用快速固结的硅胶材料使其固定在预留的热源端嵌合处。铜板3的直径为90mm，厚度为2mm。经计算，铜壁面的导热热阻非常小，因此试验中可忽略其导热热阻，仅考虑水与加热壁面之间的对流换热热阻。
注排水渗流系统：
模型设计上，分别在1m长的土柱两端分别设计2个注(排)水口7，内外直径分别为12mm和16mm。并在注(排)水内口固定直径为16mm、厚度为5mm的透水石9防止冲刷。注入21℃的水，使其在土柱当中充分扩散，从而起到模拟土壤一维水平向渗流的作用。
当需要考虑无渗流、正向渗流和反向渗流时，可分别通过两端螺丝盖进行旋开和封闭。另外，调节恒温水浴箱B4和土柱注(排)水口7的水头差即可控制土柱中渗流的速度。在排水口处用量杯8测定一定时间的流量即可换算出渗流速度。具体配件信息如下：
恒温水浴箱：HH-21-4双孔四列数显恒温水浴箱B4，水温波动≤0.5℃。HH-21-4内胆尺寸为320*320*90(单位：mm)。
综合测定系统：
本系统首先需要保证温度的一维传递，故在土柱实验箱外包裹厚30mm的双层PVC保温材料。埋设的14个温度传感器通过热敏万用表测定其电阻阻值，从而换算出温度值。具体配件信息如下：
温度传感器:JMT-36C(3K)型温度传感器5，标定精度为±1℃。实验前，每个温度传感器5均按要求进行标定，后埋入土壤待各测点土壤温度恒定后开始实验。
万用表：VC9801A+数显万用表，电阻，精度为±5％+30，根据3K热敏电阻阻值与温度的对照表可得到对应电阻的温度值。
土柱试验箱：
采用强度高、韧性好、对螺丝结构表现力高的3D打印材料未来8000树脂(精度±0.1mm，最小壁厚0.8mm)设计打印出的一个螺旋拼接式的土柱实验箱6。土柱部分共10节，热源部分一节。综合考虑一维条件减少重力势的影响和温度的传递效能，确定实验箱长1116mm，外截面为直径是100mm的圆。箱体分为两个部分，中间是通过导热性能良好的铜板3作为衔接，左端是恒温加热处，长度为100mm，内截面为直径是88mm的圆。右端是实验土柱部分，长度为1000m，内截面为直径是88mm的圆。距离热源处50、75、150、175、250、275、350、375、450、550、650、750、850、950(单位：mm)处各打一个直径为10mm的孔，用于埋设14个温度传感器5。
试验方案及过程；
(1)试验内容：
试验土料：本实验采用渗透性较好的中砂作为土壤材料。由于夏季工况地埋管内循环水的温度范围大致为30～45℃，故热源温度选定为40℃。另外广西桂林地区5～6m以下地层的全年平均温度为21.6℃，所以地下水渗流的温度选定为21℃。
试验工况：根据渗流的方向分为3类工况进行实验。第一类工况：正向渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度，不同渗流速度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；第二类工况：反向渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度，不同渗流速度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；第三类工况：无渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化。取实验土样在下列7种工况中进行模型实验(加热时间均为12h)：
正向渗流：
①-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u1＝4.49×10-6m/s，t＝12h)；
①-2(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u2＝4.92×10-4m/s，t＝12h)；
①-3(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u3＝1.05×10-3m/s，t＝12h)；
反向渗流：
②-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u1'＝6.11×10-5m/s，t＝12h)；
②-2(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u2'＝2.22×10-4m/s，t＝12h)；
②-3(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u3'＝6.22×10-4m/s，t＝12h)；
无渗流：
③-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u0＝0m/s，t＝12h)。
以上，①代表第1种工况，②代表第2种工况，③代表第3种工况。
(2)试验过程：
以中砂的第一类工况(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u1＝4.49×10-6m/s，t＝12h)为例，说明具体实验过程：
①准备土料：将砂土放入105℃的烘箱中烘干、碾碎，称量按干密度计算得到的土柱所需砂土的质量；
②装填砂箱：将砂土分层装填，并依次在指定位置埋入14个温度传感器，并用热熔硅胶进行密封，每一层埋入对应的传感器再螺旋拼装好上层的模具后进行土样的击实，可防止土样因击实工作而损失。为了更好地达到防水要求，在模具拼接处再打一层热熔硅胶；
③竖直注水饱和：竖直放置土柱端时，在最上层先螺旋拼装好一个备用模具，然后放入一个合适尺寸的透水石，再进行反复注水直至水位不再下降；
④水平渗流饱和：水平去除备用模具后，将热源端与土柱端拼接并用热熔硅胶密封，完整的模型箱水平放置在平台上，一端作为注水口连接恒温水浴箱B，温度恒定在21℃，另一端作为排水口连接好水管朝上放置(控制水头差使其不排水，方便水管的连接)，再次控制水头差使模型箱持续渗流直到稳定(排水口用量杯计量)，此时需记录三次稳定的渗流速度，取平均值作为渗流速度；
⑤包裹保温材料：为加强隔热效果，使热源处的热量可以沿土柱端进行扩散。先控制水头差使其不排水，再在箱体外包裹双层30mm厚的PVC/NBR橡塑保温材料；
⑥设定热源：将恒温水浴箱A恒温水浴箱温度设定在40℃，开启循环水泵，作为试验的开始时间；
⑦开启试验：试验开始，根据温度变化情况初定按0、0.25、0.5、0.75、1、1.5、2、2.5、3.5、4.5、5.5、7、8.5、10、12(单位：h)的时间间隔记录土柱温度的变化；
⑧试验结束：连续加热12h后，试验结束，关闭循环水泵，作为试验的结束时间；
⑨改变渗流速度：待土柱温度恢复至初始温度，即可改变恒温水浴箱B的高度来调整水头差，再从步骤⑥开始进行新的工况。
本发明土体一维热渗传递的模拟装置和测量方法，可在实时条件下量测土体的温度，得到土体不同位置处温度的变化规律，模拟温度梯度和渗流梯度二者共同影响下土体的一维热渗迁移效应，验证土壤中水分迁移和热量传递的相互作用，完善土壤热渗传递的理论模型。该装置构造简单，设计轻巧，操作方便，一体性好，测试精度高。另本装置提供的水循环恒温热源实验装置，克服了加热不均、水温难以维持恒定等缺点，能够自动加热、精确控温并提供恒定的热源温度，可以用来作为环境岩土体热物理特性室内实验的恒温热源。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1.土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：包括恒温水浴箱A(1)，恒温水浴箱A(1)内装水，恒温水浴箱A(1)内还设有一个循环水泵(2)，通过管道使恒温水浴箱A(1)内的热水进行外部循环，使恒温水浴箱A(1)内的热水在土柱实验箱(6)中铜板(3)的左端进行水循环，土柱实验箱(6)箱长1116mm，圆截面内直径为88mm，土柱实验箱(6)箱体采用采用强度高、韧性好、对螺丝结构表现力高的3D打印材料未来8000树脂设计打印，并采用螺旋拼接式的设计把土柱实验箱(6)分为11节进行3D打印，左端1节设定为热源节，右端10节为土柱填装节,每一节的长度均为100mm；土柱填装部分还安装有若干个温度传感器(5)，越靠近热源处布置越密集，热源节和土柱填装节之间用铜板(3)隔开。
2.按照权利要求1所述的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：热源为通过循环泵(2)使水在恒温水浴箱A(1)和热源节内进行水循环，热源节处与铜板(3)进行密封，即可提供恒定的热源。
3.按照权利要求1所述的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：土柱实验箱的预留铜板(3)嵌入的尺寸，铜板(3)直径为90mm，使其螺旋拼接后达到固定效果。
4.按照权利要求1所述的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：钻孔分别在距铜板(3)距离为50mm、75mm、150mm、175mm、250mm、275mm、350mm、375mm、450mm、550mm、650mm、750mm、850mm、950mm处钻孔，孔径为10mm。
5.按照权利要求1所述的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：铜板(3)将土柱实验箱(6)分隔为两部分，左端为恒温加热部分，长为100mm，圆截面内直径为88mm；右端为填装土柱部分，总长为1000mm，圆截面内直径为88mm。
6.按照权利要求1所述的的土体一维热渗传递的模拟装置，其特征在于：按照以下步骤进行土体一维热渗传递的测量：
步骤1：将砂土均按3种工况进行试验：
第1种工况，正向渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度，不同渗流速度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；
第2种工况，；第二类工况：反向渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度，不同渗流速度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；
第3种工况，无渗流，相同干密度、热源温度、渗流温度时，土柱中温度沿水平渗流方向的变化；
步骤2：试验工况如下：根据渗流情况分为三种：
正向渗流：
①-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u1＝4.49×10-6m/s，t＝12h)；
①-2(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u2＝4.92×10-4m/s，t＝12h)；
①-3(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u3＝1.05×10-3m/s，t＝12h)；
反向渗流：
②-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u1'＝6.11×10-5m/s，t＝12h)；
②-2(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u2'＝2.22×10-4m/s，t＝12h)；
②-3(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u3'＝6.22×10-4m/s，t＝12h)；
无渗流：
③-1(ρd＝1.61g/cm3，Ts＝40℃，T0＝21℃，u0＝0m/s，t＝12h)。
步骤3：实验过程；
①准备土料：将步骤2中的砂土放入105℃的烘箱中烘干、碾碎，称量按干密度计算得到的土柱所需砂土的质量；
②装填砂箱：将砂土分层装填，并依次在指定位置埋入14个温度传感器(5)，并用热熔硅胶进行密封，每一层埋入对应的传感器再螺旋拼装好上层的模具后进行土样的击实，可防止土样因击实工作而损失。为了更好地达到防水要求，在模具拼接处再打一层热熔硅胶；
③竖直注水饱和：竖直放置土柱端时，在最上层先螺旋拼装好一个备用模具，然后放入一个合适尺寸的透水石，再进行反复注水直至水位不再下降；
④水平渗流饱和：水平去除备用模具后，将热源端与土柱端拼接并用热熔硅胶密封，完整的模型箱水平放置在平台上，一端作为注水口连接HH-21-4恒温水浴箱(4)，温度恒定在21℃，另一端作为排水口连接好水管朝上放置，再次控制水头差使模型箱持续渗流直到稳定，此时需记录三次稳定的渗流速度，取平均值作为渗流速度；
⑤包裹保温材料：为加强隔热效果，使热源处的热量可以沿土柱端进行扩散。先控制水头差使其不排水，再在箱体外包裹双层30mm厚的PVC/NBR橡塑保温材料；
⑥设定热源：将恒温水浴箱A(1)温度设定在40℃，开启循环水泵(2)，作为试验的开始时间；
⑦开启试验：试验开始，根据温度变化情况初定按0h、0.25h、0.5h、0.75h、1h、1.5h、2h、2.5h、3.5h、4.5h、5.5h、7h、8.5h、10h、12h的时间间隔记录土柱温度的变化；
⑧试验结束：连续加热12h后，试验结束，关闭循环水泵(2)，作为试验的结束时间；
⑨改变渗流速度：待土柱温度恢复至初始温度，即可改变恒温水浴箱B(4)的高度来调整水头差，再从步骤⑥开始进行新的工况。
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