CN115824576A - 寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置和监测方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种寒区隧道列车活塞风质‑热耦合监测装置和监测方法，涉及质‑热耦合监测技术领域，监测装置包括模拟列车机构、模拟隧道、质‑热耦合运输监测机构和气流动态可视化机构；模拟列车机构用于模拟列车穿行于模拟隧道的行驶状态；质‑热耦合运输监测机构用于监测模拟隧道内的空气和隧道埋置区土的质‑热耦合输运；气流动态可视化机构用于记录模拟隧道内空气在列车活塞风效应下的运动规律。该监测装置能基于列车活塞风带入隧道内部的高速、高压热空气会显著改变隧道内部气体环境，探究隧道内部空气的风速、风压和风温度的变化规律，得到了多年冻土区隧道系统质‑热耦合机理及其影响因素，为隧道的研究和改良提供了可靠的实验数据。

Description

寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置和监测方法

技术领域

本发明涉及质-热耦合监测技术领域，具体而言，涉及一种寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置和监测方法。

背景技术

多年冻土，又称永久冻土，指至少持续冻结两年以上的岩土层。多年冻土区，地层夏季融化、冬季冻结；下层常年处于冻结状态。多年冻土主要分布在高纬度或中、低纬度的高海拔地区。近年来，多年冻土区道路交通事业迎来了新的发展机遇，由此高纬度、高海拔地区的隧道数量也不断增加。在多年冻土地区，伴随着土中水的冻结和融化，发生着一系列奇异而独特的冻土现象，如随着大气温度的下降，土体温度降到土中孔隙水结晶点时，土体便发生冻结，出现冰晶体，导致土体体积膨胀，引起附加的应力和变形，这就是冻胀现象。到了春季，随着气温的上升，冻结后的土体从表层开始融化，此时融化部分介于冻土层和喷射混凝土层之间，水分无法排除，使土体含水量增大，导致围岩强度降低，隧道发生融化破坏。因此，冻胀融沉问题实际上是一种质-热耦合问题。

目前，研究人员对多年冻土隧道的质-热耦合的研究，重点大多侧重于气候变化下多年冻土隧道结构-围岩系统的水分、温度、应力和变形耦合问题，研究方向较为单一，不利于有效改善多年冻土隧道的冻胀融沉问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置和监测方法，其基于列车活塞风带入隧道内部的高速、高压热空气会显著改变隧道内部气体环境，探究隧道内部空气的风速、风压和风温度的变化规律，得到了多年冻土区隧道系统质-热耦合机理及其影响因素，为隧道的研究和改良提供了可靠的实验数据。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，包括：

模拟列车机构、模拟隧道、质-热耦合运输监测机构和气流动态可视化机构；所述模拟列车机构用于模拟列车穿行于所述模拟隧道的行驶状态；所述质-热耦合运输监测机构用于监测所述模拟隧道内的空气和隧道埋置区土的质-热耦合输运；所述气流动态可视化机构用于记录所述模拟隧道内空气在列车活塞风效应下的运动规律。

在可选的实施方式中，所述模拟隧道包括两个侧板、上封板、下封板和储烟棚，所述上封板和所述下封板分别设于所述两个侧板的顶部和底部，所述上封板、下封板和两个侧板共同限定出第一通道，所述储烟棚设于所述第一通道供列车进入的隧道进口，所述储烟棚具有第二通道，所述第一通道与所述第二通道具有相互切换的连通状态或隔断状态；

所述气流动态可视化机构包括烟雾喷发器和图像采集器，所述烟雾喷发器用于向所述储烟棚内喷入具有颜色的烟雾，所述图像采集器用于记录所述模拟隧道内空气在列车活塞风效应下的流动状态。

在可选的实施方式中，所述模拟隧道还包括第一门体、第二门体和第三门体，所述第一门体和所述第二门体分别设于所述模拟隧道的隧道进口和隧道出口处，用于开启或关闭所述隧道进口和所述隧道出口，且在所述第一门体与开启所述隧道进口时，所述第一通道与所述第二通道处于连通状态，在所述第一门体关闭所述隧道进口时，所述第一通道与所述第二通道处于隔断状态；所述第三门体位于所述隧道进口的一侧且与所述储烟棚连接，用于开启或关闭所述第二通道远离所述模拟隧道的端口。

在可选的实施方式中，所述模拟隧道具有透光部，所述图像采集器设于所述模拟隧道外，且所述图像采集器的采集头能通过所述透光部所在位置采集所述模拟隧道内空气的流动状态。

在可选的实施方式中，所述寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置还包括环境模拟机构，所述环境模拟机构用于在所述模拟隧道内模拟围岩冻土状态和气候环境。

在可选的实施方式中，所述环境模拟机构包括上冷冻板、冷却液循环管、压缩机、干燥过滤器、冷凝器、膨胀阀和下冷冻板，所述上冷冻板和所述下冷冻板分别设于所述模拟隧道的顶部和底部，所述冷却液循环管同时与所述上冷冻板和所述下冷冻板连接，所述冷却液循环管的一端与所述压缩机进口连接，另一端与所述压缩机出口连接；所述干燥过滤器、所述冷凝器和所述膨胀阀串联于所述冷却液循环管路上。

在可选的实施方式中，所述模拟列车机构包括模拟列车、模拟轨道和模拟桥墩，所述模拟轨道架设于所述模拟桥墩上，所述模拟轨道穿设于所述模拟隧道内，所述模拟列车能行走于所述模拟轨道上。

在可选的实施方式中，所述质-热耦合运输监测机构包括传感器组件、毕托管、数据采集器和智能终端，所述传感器组件的输出端与所述数据采集器的输入端连接，所述数据采集器的输出端与所述智能终端连接，所述毕托管的一端设于所述模拟隧道内，所述毕托管的另一端与所述数据采集器连接。

在可选的实施方式中，所述传感器组件包括变形传感器、水分传感器、第一温度传感器、压力传感器和第二温度传感器，所述变形传感器、水分传感器、第一温度传感器、压力传感器和第二温度传感器的输出端均与所述数据采集器的输入端连接；所述变形传感器、水分传感器、第一温度传感器和压力传感器均埋设于所述模拟隧道的顶部；所述第二温度传感器与所述毕托管位于所述模拟隧道内的部分连接。

第二方面，本发明提供一种寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测方法，适用于前述实施方式中任一项所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，该监测方法包括：

在模拟隧道中模拟寒区环境温度；

启动气流动态可视化机构；

启动模拟列车机构，使列车穿过所述模拟隧道；

利用质-热耦合运输监测机构监测所述模拟隧道内的空气和隧道埋置区土的质-热耦合输运；以及，利用所述气流动态可视化机构记录所述模拟隧道内空气在列车活塞风效应下的运动规律。

本发明实施例的有益效果是：

综上所述，本实施例提供的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，该装置利用模拟列车机构与模拟隧道配合能够模拟列车活塞风效应；用质-热耦合输运监测机构可监测活塞风引起的隧道内空气和隧道埋置区冻土的质-热耦合输运。并且结合气流动态可视化机构，能够采集到在活塞风的影响下模拟隧道内的气流的运动状态，能获取活塞风对隧道内部气流的影响，如此，本实施例提供的监测装置能有效地模拟实际列车穿越隧道时引起的活塞风效应，并能得到真实可靠的监测结果，免受室外其他复杂多变的环境影响。同时，可任意选择测点进行监测，监测装置布置灵活，便于获取多组参数，提高试验结果的准确性，提高参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置的一视角的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置的另一视角的剖视结构示意图；

图4为本发明实施例的环境模拟机构的结构示意图。

图标:

100-模拟列车机构；110-模拟列车；120-模拟轨道；130-模拟桥墩；200-模拟隧道；201-第一通道；210-侧板；220-上封板；230-覆土层；240-下封板；250-储烟棚；251-第二通道；260-第一门体；270-第二门体；271-让位开口；272-密封棉；280-第三门体；290-密封组件；291-第一链体；292-第二链体；293-拉头；300-环境模拟机构；310-上冷冻板；320-冷却液循环管；330-压缩机；340-干燥过滤器；350-冷凝器；360-膨胀阀；370-下冷冻板；400-质-热耦合运输监测机构；410-传感器组件；411-变形传感器；412-水分传感器；413-第一温度传感器；414-压力传感器；415-第二温度传感器；420-毕托管；430-数据采集器；440-智能终端；500-气流动态可视化机构；510-烟雾喷发器；520-图像采集器。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处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。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

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，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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。

发明人在研究中发现，近年来，随着列车运行速度的不断提升，列车高速行驶进入隧道后，隧道内部空气的温度由于列车活塞风效应引入洞外热空气而迅速升高，加剧隧道埋置区区域多年冻土融化，容易诱发多年冻土隧道融化灾害。因此针对由列车活塞风效应引起的多年冻土隧道的质-热耦合进行研究具有十分重要的工程意义。而现有技术中，研究人员对多年冻土隧道的质-热耦合问题，研究重点大多侧重于气候变化下多年冻土隧道结构-围岩系统的水分、温度、应力和变形耦合问题，而严重忽视了列车活塞风带入隧道内部的高速、高压热空气会显著改变隧道内部气体环境，使得隧道内部空气的风速、风压和风温度有了明显变化，从而影响隧道埋置区多年冻土质-热耦合。

鉴于此，设计者提供了一种寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，能基于列车活塞风带入隧道内部的高速、高压热空气会显著改变隧道内部气体环境，探究隧道内部空气的风速、风压和风温度的变化规律，得到了多年冻土区隧道系统质-热耦合机理及其影响因素，为隧道的研究和改良提供了可靠的实验数据。

请结合图1-图4，本实施例中，寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置包括模拟列车机构100、模拟隧道200、环境模拟机构300、质-热耦合运输监测机构400和气流动态可视化机构500。其中，模拟列车机构100用于模拟列车110穿行于模拟隧道200的行驶状态。环境模拟机构300能够调节模拟隧道200内温度，从而在模拟隧道200内模拟围岩冻土状态和气候环境。质-热耦合运输监测机构400用于监测模拟隧道200内的空气和隧道埋置区土的质-热耦合输运。气流动态可视化机构500用于记录模拟隧道200内空气在列车活塞风效应下的运动规律。

本实施例提供的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置的工作原理如下：

利用环境模拟机构300在模拟隧道200内模拟设定的温度环境，使模拟隧道200内的温度环境满足试验需求。待温度环境调整完成后，进行相应的试验，利用模拟列车机构100与模拟隧道200配合能够模拟列车110活塞风效应。用质-热耦合输运监测机构可监测活塞风引起的隧道内空气和隧道埋置区冻土的质-热耦合输运。并且结合气流动态可视化机构500，能够采集到在活塞风的影响下模拟隧道200内的气流的运动状态，能获取活塞风对隧道内部气流的影响，如此，本实施例提供的监测装置能有效地模拟实际列车穿越隧道时引起的活塞风效应，并能得到真实可靠的监测结果，免受室外其他复杂多变的环境影响。同时，可任意选择测点进行监测，监测装置布置灵活，便于获取多组参数，提高试验结果的准确性，提高试验数据的参考价值。

请结合图1，本实施例中，可选的，模拟列车机构100包括模拟列车110、模拟轨道120和模拟桥墩130。模拟桥墩130的数量可以设置为多个，多个模拟桥墩130呈环形排布，模拟轨道120设置为环形轨道，模拟轨道120架设于多个模拟桥墩130，并且模拟轨道120穿设于模拟隧道200内。模拟列车110能行走于模拟轨道120上。

应当理解的是，模拟轨道120穿设于模拟隧道200后，模拟轨道120相对于模拟隧道200的底面向上凸设，也即与现实中轨道凸设于地表的实际情况相符。当需要进行试验时，使模拟列车110行走于模拟轨道120上，并且在模拟列车110进入隧道进口时，将模拟隧道200外部的空气带入模拟隧道200内，从而模拟了活塞风效应。模拟列车110的驱动系统可以采用现有公知结构，本实施例中不进行具体说明。例如，采用电力来驱动模拟列车110的行驶。

请结合图1，本实施例中，可选的，模拟隧道200包括两个侧板210、上封板220、覆土层230、下封板240、储烟棚250、第一门体260、第二门体270和第三门体280。两个侧板210可以采用透明材质制成，例如，两个侧板210均采用玻璃制成，具有透光的功能。两个侧板210均设置为矩形板，两个侧板210相对平行排布。上封板220可以设置为聚氨酯硬泡板，上封板220设置为两块，且分别固定在两个侧板210的顶部。覆土层230被夹持在两个上封板220之间，两个上封板220和一个覆土层230构成模拟隧道200的顶部封闭结构。下封板240可以设置为石棉纤维水泥板，两个侧板210远离上封板220的一侧均固定在下封板240上。两个侧板210、上封板220、覆土层230、下封板240共同限定出供模拟列车110穿行的第一通道201，并且，第一通道201的两端分别设定为隧道进口和隧道出口，模拟列车110能够通过隧道进口进入隧道内，并且从隧道出口驶出。

储烟棚250具有第二通道251，储烟棚250设于第一通道201的供列车进入的隧道进口的一侧，并且储烟棚250与两个侧板210、上封板220和覆土层230密封配合。模拟列车110先通过第二通道251再进入第一通道201。

并且，第一门体260设于隧道进口处，第一门体260用于打开或关闭隧道进口。第二门体270设于隧道出口处，第二门体270用于打开或关闭隧道出口。第三门体280设于储烟棚250远离隧道进口的一端，用于打开关闭第二通道251远离隧道进口的一端。应当理解，当第一门体260、第二门体270和第三门体280均关闭时，此时，第一通道201和第二通道251相互独立且处于相互隔断的状态。当打开第一门体260时，此时，第一通道201和第二通道251处于相互连通的状态。

应当理解，由于模拟轨道120为凸起结构，在第一门体260、第二门体270和第三门体280的底部均设置有避让模拟轨道120的避让槽，如此，当第一门体260、第二门体270和第三门体280均处于关闭状态时，不易与模拟轨道120产生干涉，并且，避让槽内均可以设置封堵棉，从而提高密封性。也即，当第一门体260、第二门体270和第三门体280均处于关闭状态时，在避让槽内嵌设封堵棉，从而密封第一门体260、第二门体270和第三门体280与模拟轨道120之间的缝隙。其中，密封棉272可以为海绵。

请结合图1和图2，进一步的，在第二门体270上设置有让位开口271，让位开口271的数量按需设置，例如，本实施例中，让位开口271的数量为三个，三个方位开口的敞口侧均延伸至第二门体270的底部一侧。并且，每个让位开口271内均设置有密封组件290，当第二门体270处于关闭隧道出口的位置时，密封组件290处于封闭让位开口271的状态。例如，密封组件290可以设置为密封拉链，密封拉链包括第一链体291、第二链体292和拉头293，第一链体291的一侧与让位开口271的一侧连接，第二链体292的另一侧与让位开口271的另一侧连接，拉头293同时与第一链体291和第二链体292连接，拉头293相对于第一链体291和第二链体292在让位开口271的长度方向上滑动时，具有使第一链体291和第二链体292处于咬合的密封状态或处于分离的打开状态。例如，本实施例中，第二门体270可以通过滑轨结构与覆土层230在第一通道201的高度方向上也即竖向上可滑动地连接，当第二门体270向下滑动时，能够关闭隧道出口，此时，拉头293能够使第一链体291和第二链体292处于密封状态；当第二门体270向上滑动时，能够打开隧道出口，拉头293能够使第一链体291和第二链体292处于分离状态，从而形成避让区域。

应当理解，第一门体260也可以采用滑轨结构与覆土层230连接，从而实现隧道进口的开启或关闭。同时，第三门体280也可以采用滑轨结构与储烟棚250连接，从而实现第二通道251远离第一通道201的端口的开启或关闭。

请结合图1，本实施例中，可选的，气流动态可视化机构500包括烟雾喷发器510和图像采集器520，烟雾喷发器510用于向储烟棚250内喷入具有颜色的烟雾，图像采集器520用于记录模拟隧道200内空气在列车活塞风效应下的流动状态。可选的，烟雾喷发器510处于储烟棚250的顶部，合理利用纵向空间，便于装配。图像采集器520设于模拟隧道200外部，并且位于模拟隧道200的宽度方向上的两侧。图像采集器520的数量按需选择，本实施例中不进行具体限定。或者，可以仅在模拟隧道200的一侧设置图像采集器520。由于侧板210设置为玻璃板，且具有透光性能，图像采集器520能够透过侧板210采集到隧道内的图像。应当理解，在其他实施例中，可以仅将侧板210的部分设置为透光部，能供图像采集器520采集到模拟隧道200内的空气流动的图像即可。由于空气本身是透明的，仅利用图像采集器520无法有效的获取活塞风对于模拟隧道200内的气体流动状态的图像，因此，在模拟列车110驶入第一通道201前，先在储烟棚250内通入有颜色的烟雾，烟雾能够随活塞风一起被带入模拟隧道200内，从而通过图像采集器520采集到气流运动状态的图像。并且，由于图像采集器520设于模拟隧道200外，不会占用隧道内的空间，不会对隧道内的气流产生影响，采集的图像更加准确。

请结合图4，本实施例中，可选的，环境模拟机构300包括上冷冻板310、冷却液循环管320、压缩机330、干燥过滤器340、冷凝器350、膨胀阀360和下冷冻板370，上冷冻板310和下冷冻板370分别设于模拟隧道200的顶部和底部，上冷冻板310同时盖设在覆土层230和两个上封板220的顶部，下冷冻板370覆盖在下封板240的底部，冷却液循环管320同时与上冷冻板310和下冷冻板370连接，冷却液循环管320的一端与压缩机330进口连接，另一端与压缩机330出口连接；干燥过滤器340、冷凝器350和膨胀阀360串联于冷却液循环管320路上。通过压缩机330使冷媒在冷却液循环管320中进行循环流动，冷媒流动至上冷冻板310和下冷冻板370时能够对模拟隧道200进行制冷，从而模拟所需温度。应当理解，冷却液循环管320的部分可以预埋在上冷冻板310和下冷冻板370内部，减少冷量的损失，节省能源。

需要说明的是，可以通过设置在冷却液循环管320上的阀门来调节上冷冻板310和下冷冻板370的温度，从而实现温度独立调控，使上冷冻板310模拟寒区隧道的实际地表温度，下冷冻板370模拟寒区隧道内底部的表面温度。

请结合图1和图3，本实施例中，可选的，质-热耦合运输监测机构400包括传感器组件410、毕托管420、数据采集器430和智能终端440。传感器组件410的输出端与数据采集器430的输入端连接，数据采集器430的输出端与智能终端440连接，毕托管420的一端设于模拟隧道200内，毕托管420的另一端与数据采集器430连接。其中，传感器组件410包括变形传感器411、水分传感器412、第一温度传感器413、压力传感器414和第二温度传感器415等，变形传感器411、水分传感器412、第一温度传感器413、压力传感器414和第二温度传感器415的输出端均与数据采集器430的输入端连接；变形传感器411、水分传感器412、第一温度传感器413和压力传感器414均埋设于模拟隧道200的顶部，例如，可以预埋在覆土层230内。第二温度传感器415与毕托管420位于模拟隧道200内的部分连接。毕托管420的数量为三根，三根毕托管420分别穿设在第二门体270上的三个让位开口271中。每根毕托管420均与让位开口271密封配合。三个毕托管420位于模拟隧道200内的部分分别与隧道的顶壁和两侧贴合。密封组件290的拉头293与对应的毕托管420连接固定。由于毕托管420直接穿过第二门体270并与隧道的内壁贴合，相比毕托管420贯穿覆土层230后再与隧道内壁贴合的方案相比，能够减少毕托管420的弯折部，毕托管420的结构设计更加简单，便于制作以及装配。并且，毕托管420不需要贯穿覆土层230，降低了对覆土层230整体结构的影响，使得传感器组件410获取的数据更加准确。同时，毕托管420设于让位开口271中，不会与第二门体270产生干涉，毕托管420的位置不会因为第二门体270的运动而发生变化，并且毕托管420也不会影响第二门体270的开闭运动。当第二门体270处于关闭隧道出口的位置时，毕托管420位于让位开口271的底部，并且密封组件290处于密封状态，如此，第二门体270能够实现隧道出口的密封，不易在让位开口271处漏风。而当第二门体270开启时，第二门体270向上运动，由于毕托管420的位置不会改变，拉头293在毕托管420的限位下不会随第二门体270向上运动，第一链体291和第二链体292随第二门体270向上运动，如此，拉头293使第一链体291和第二链体292分离，形成避让毕托管420的避让区域，毕托管420能够处于第一链体291和第二链体292之间，而不会与第二门体270产生干涉。当需要关闭隧道出口时，第二门体270下降，拉头293的位置还是保持不变，第一链体291和第二链体292在第二门体270的带动下下降，拉头293使第一链体291和第二链体292咬合，密封让位开口271。

需要说明的是，每个传感器均可以设置为多个探头，按需排布即可。

通过传感器组件410和毕托管420的结构设计，可以实时获取列车活塞风效应下的埋置区土体不同深度土样的变形、含水率、温度和土压力，以及隧道内部的空气温度、风压和风速。

本实施例提供的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置的工作过程如下：

先关闭第一门体260、第二门体270和第三门体280，然后启动环境模拟机构300，使模拟隧道200内的温度满足设定需求。而后，打开烟雾喷发器510，使储烟棚250内的空气可视化。然后，再开启第一门体260、第二门体270和第三门体280，并且使图像采集器520处于打开状态。模拟列车110在模拟轨道120上行驶并且穿过模拟隧道200。在模拟列车110进入模拟隧道200时，将储烟棚250内可视化的烟雾带入模拟隧道200内，也即使活塞风可视化，而可视化的活塞风进入模拟隧道200后，带动模拟隧道200内的空气流动，使得模拟隧道200内的空气也为可视化，并且利用图像采集器520记录模拟隧道200内部的空气流动状态。同时，模拟列车110行驶于模拟隧道200内时，通过传感器组件410能够获取在列车活塞风效应下隧道内部风速、风压、风温以及隧道埋置区土水分迁移、温度、土压力和变形数据，得到列车活塞风效应下隧道埋置区土水分场、温度场以及土压力场的动态变化规律。

本实施例提供的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，监测模型列车活塞风对模拟隧道200内风速、风压、风温以及空气流动状态的影响以及由此引发的隧道埋置区区域冻土质-热耦合过程，对多年冻土隧道的质-热耦合问题的研究具有重要的意义。

本实施例还提供了一种适用于上述实施例的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置的监测方法，该监测方法如下：

利用环境模拟机构300在模拟隧道200中模拟寒区环境温度；

启动气流动态可视化机构500；

启动模拟列车机构100，使列车穿过模拟隧道200；

利用质-热耦合运输监测机构400监测模拟隧道200内的空气和隧道埋置区土的质-热耦合输运；以及，利用气流动态可视化机构500记录模拟隧道200内空气在列车活塞风效应下的运动规律。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于，包括：

模拟列车机构、模拟隧道、质-热耦合运输监测机构和气流动态可视化机构；所述模拟列车机构用于模拟列车穿行于所述模拟隧道的行驶状态；所述质-热耦合运输监测机构用于监测所述模拟隧道内的空气和隧道埋置区土的质-热耦合输运；所述气流动态可视化机构用于记录所述模拟隧道内空气在列车活塞风效应下的运动规律。

2.根据权利要求1所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于：

所述模拟隧道包括两个侧板、上封板、下封板和储烟棚，所述上封板和所述下封板分别设于所述两个侧板的顶部和底部，所述上封板、下封板和两个侧板共同限定出第一通道，所述储烟棚设于所述第一通道供列车进入的隧道进口，所述储烟棚具有第二通道，所述第一通道与所述第二通道具有相互切换的连通状态或隔断状态；

所述气流动态可视化机构包括烟雾喷发器和图像采集器，所述烟雾喷发器用于向所述储烟棚内喷入具有颜色的烟雾，所述图像采集器用于记录所述模拟隧道内空气在列车活塞风效应下的流动状态。

3.根据权利要求2所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于：

所述模拟隧道还包括第一门体、第二门体和第三门体，所述第一门体和所述第二门体分别设于所述模拟隧道的隧道进口和隧道出口处，用于开启或关闭所述隧道进口和所述隧道出口，且在所述第一门体与开启所述隧道进口时，所述第一通道与所述第二通道处于连通状态，在所述第一门体关闭所述隧道进口时，所述第一通道与所述第二通道处于隔断状态；所述第三门体位于所述隧道进口的一侧且与所述储烟棚连接，用于开启或关闭所述第二通道远离所述模拟隧道的端口。

4.根据权利要求2所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于：

所述模拟隧道具有透光部，所述图像采集器设于所述模拟隧道外，且所述图像采集器的采集头能通过所述透光部所在位置采集所述模拟隧道内空气的流动状态。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于：

所述寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置还包括环境模拟机构，所述环境模拟机构用于在所述模拟隧道内模拟围岩冻土状态和气候环境。

6.根据权利要求5所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于：

所述环境模拟机构包括上冷冻板、冷却液循环管、压缩机、干燥过滤器、冷凝器、膨胀阀和下冷冻板，所述上冷冻板和所述下冷冻板分别设于所述模拟隧道的顶部和底部，所述冷却液循环管同时与所述上冷冻板和所述下冷冻板连接，所述冷却液循环管的一端与所述压缩机进口连接，另一端与所述压缩机出口连接；所述干燥过滤器、所述冷凝器和所述膨胀阀串联于所述冷却液循环管路上。

7.根据权利要求1所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于：

所述模拟列车机构包括模拟列车、模拟轨道和模拟桥墩，所述模拟轨道架设于所述模拟桥墩上，所述模拟轨道穿设于所述模拟隧道内，所述模拟列车能行走于所述模拟轨道上。

8.根据权利要求1所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于：

所述质-热耦合运输监测机构包括传感器组件、毕托管、数据采集器和智能终端，所述传感器组件的输出端与所述数据采集器的输入端连接，所述数据采集器的输出端与所述智能终端连接，所述毕托管的一端设于所述模拟隧道内，所述毕托管的另一端与所述数据采集器连接。

9.根据权利要求8所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，其特征在于：

所述传感器组件包括变形传感器、水分传感器、第一温度传感器、压力传感器和第二温度传感器，所述变形传感器、水分传感器、第一温度传感器、压力传感器和第二温度传感器的输出端均与所述数据采集器的输入端连接；所述变形传感器、水分传感器、第一温度传感器和压力传感器均埋设于所述模拟隧道的顶部；所述第二温度传感器与所述毕托管位于所述模拟隧道内的部分连接。

10.一种寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测方法，其特征在于，适用于权利要求1-9中任一项所述的寒区隧道列车活塞风质-热耦合监测装置，该监测方法包括：

在模拟隧道中模拟寒区环境温度；

启动气流动态可视化机构；

启动模拟列车机构，使列车穿过所述模拟隧道；

利用质-热耦合运输监测机构监测所述模拟隧道内的空气和隧道埋置区土的质-热耦合输运；以及，利用所述气流动态可视化机构记录所述模拟隧道内空气在列车活塞风效应下的运动规律。

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