一种多尺度热量运移同步监测试验系统和试验方法技术方案

本发明专利技术涉及一种多尺度热量运移同步监测试验系统和热弥散尺度效应试验方法，系统包括砂柱组件、流路总成及温度传感单元。砂柱组件包括若干柱内部填充标准粒径的多孔介质，可以模拟不同含水层结构，砂柱壁面为同心有机玻璃圆柱嵌套形成真空绝热层，温度传感器穿越内外圆柱壁及空气层；流路总成包括恒温恒压控制装置、瞬时导流装置、排流机构组成，流路总成控制试验系统恒温、恒压边界条件，瞬时导流装置实现流体同步瞬时下渗，排流机构可获取不同时段流体渗透流量；温度传感单元实现不同检测点温度高频率自动采集。可以实现多尺度热量运移同步监测系统开展多孔介质不同粒径尺度、空间尺度的半无限大一维对流弥散试验。

Multi scale heat transfer synchronous monitoring test system and test method

The invention relates to a multi scale heat transfer synchronous monitoring test system and a thermal dispersion scale effect test method, which comprises a sand column assembly, a flow path assembly and a temperature sensing unit. The sand column assembly includes a plurality of columns filled with porous medium of standard size, can simulate different aquifer structure, sand column wall concentric cylindrical form nested organic glass vacuum heat insulating layer, the temperature sensor through the inner and outer cylindrical wall and the air layer; flow path assembly includes a constant temperature control device, the instantaneous flow guide device, a discharging mechanism composition, flow path assembly control test system of constant temperature and constant pressure boundary conditions, the instantaneous flow guiding device to achieve synchronous instantaneous fluid infiltration, discharging mechanism can be obtained in different periods of fluid infiltration rate; the temperature sensing unit to achieve different testing temperature high frequency automatic acquisition. It can be used to simulate the semi infinite one-dimensional convection dispersion in porous media with different particle sizes and spatial scales.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多尺度热量运移同步监测试验系统和试验方法，系统可以通过瞬时导流、恒温控制、侧向真空绝热、温度自动采集等功能同步开展多孔介质不同粒径、空间尺度的半无限大一维对流弥散试验；通过正交试验设计，筛选出不同热源边界、渗流速度、颗粒直径、空间位置等要素组合试验，通过热弥散系数解析理论推导结合试验反演计算提出热弥散尺度效应的试验方法。
技术介绍
在多孔介质传热传质研究领域，热弥散的研究尤其是尺度效应规律的揭示一直是该领域的热点与难点问题，半无限大含水层一维对流弥散物理模型试验是揭示热弥散尺度效应最直接且有效的手段之一。开展该物理模型试验条件苛刻，涉及到流体定浓度、定温度、定压力等瞬时恒定边界控制，特别对于多组对照试验，需要同时满足相同的瞬时恒定边界，单纯恒定边界条件控制并非难点，但满足此类恒定边界条件需要时间控制过程，如何实现流体与试验介质的瞬时导流衔接成为关键，边界条件无法精确控制将会造成模型试验的边界误差。同时，满足半无限大含水层一维对流弥散的试验条件，要求侧向空间无温度传递，即满足绝热边界条件，另外，温度场的时空监测要求布置多测点同步监测，然而，真空绝热边界条件的控制可以容易实现，但同时需要满足真空柱侧向传感器可拆卸布置，且达到水、气分离密封成为模型设计的关键。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：解决半无限大含水层一维对流弥散试验边界条件控制问题，模拟不同粒径、结构含水层以及实现多组对照试验同步开展，满足不同时空尺度温度自动监测与温度传感器可拆卸等问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种多尺度热量运移同步监测试验系统，包括试验砂柱组件、流路总成和传感单元；试验砂柱为多孔的渗透柱，所述试验砂柱组件连接在流路总成的试验流路上，试验砂柱上阵列设置有传感单元的传感器阵列，传感器阵列连接在传感单元的数据接收处理模块上，所述流路总成包括一个恒温水箱，试验砂柱组件包括若干呈对照阵列布置的试验砂柱，试验砂柱包括一个隔热外壳，各试验砂柱的隔热外壳的顶端通过瞬时导流装置连接到恒温水箱上进行供流，隔热外壳的底部连接到流路总成的流量获取机构上进行排流，在试验砂柱的隔热外壳内填充有供流体流动的多孔流动介质；所述传感器阵列包括阵列设置试验砂柱内的温度传感器，温度传感器的阵列轴线与试验砂柱的纵向轴线平行，所述温度传感器探头伸入到多孔流动介质中，温度传感器的数据输出端连接到温度自动采集系统上；在所述试验砂柱轴向两端上还设置有测压机构，通过测压机构或者试验砂柱轴向两端之间的压力差；所述瞬时导流装置包括若干设置在恒温水箱底部的与试验砂柱对应的导流阀，所述导流阀的驱动机构通过一个同步机构实现各导流阀同步的打开或关闭。作为本专利技术的进一步改进，所述恒温水箱还包括恒温加热棒、温度感应器，所述加热棒和温度感应器之间通过恒温控制器连接，在所述恒温水箱内还设置有流体混合机构，所述流体混合机构包括一个流体驱动机构，通过流体驱动机构驱动流体在恒温水箱内流动。作为本专利技术的进一步改进，所述流体混驱动机构包括一个水泵，通过水泵的驱动，将位于恒温水箱两侧的加热棒附近的流体输送到恒温水箱的中部。作为本专利技术的进一步改进，所述隔热外壳包括一个圆柱内管和一个圆柱外管，圆柱内管和圆柱外管之间设置有环形的真空区，隔热空腔的轴向两端通过环形隔板封堵；在隔热外壳上阵列设置有若干传感器基座，所述传感器基座包括一个贯穿圆柱内管和圆柱外管的传感器固定套，传感器固定套的外壁与圆柱内管、圆柱外管之间密封连接，传感器通过传感器固定套插入到试验砂柱中部。作为本专利技术的进一步改进，所述导流阀包括一个用于驱动阀塞的阀杆，所述同步机构包括一个连接各阀杆的滑杠，在滑杠上设置有台阶状的驱动导槽和直线状的引导槽，在恒温水箱内固定有若干定位滑块，所述定位滑块可沿驱动导 槽滑动，在所述阀杆上设置有一个驱动滑块，所述驱动滑块可沿引导槽滑动，通过驱动滑杠的左右移动，使得滑杠在驱动导槽的驱动下发生上下移动，带动阀杆上下移动。作为本专利技术的进一步改进，所述导流阀包括一个穿透恒温水箱底板的阀座，在所述阀座的底部设置有一个连接组件，所述连接组件包括一个套接在阀座外的连接套，连接套与阀套活动连接，在连接套的一端设置有与试验砂柱顶部对应的密封端面，在密封端面上设置有密封环，在密封端面与试验砂柱顶部密封连接时，过流孔道与试验砂柱之间导通，所述活动连接为螺纹连接。作为本专利技术的进一步改进，所述恒温水箱还包括一个溢流箱，所述溢流箱和恒温水箱之间通过一个溢流槽进行溢流，溢流槽内设有一个溢流挡板，通过溢流挡板的滑动控制溢流槽的高度，从而控制恒温水箱的水位高度。作为本专利技术的进一步改进，所述各试验砂柱内填充有直径各不相同的玻璃微珠。一种多尺度热量运移同步监测试验系统试验方法，其特征是：包括如下几个步骤：步骤1：设置若干个均质试验砂柱、非均质试验砂柱和对照砂柱：在各均质试验砂柱中分别从顶至底依次填充入玻璃微珠、滤网层和卵石层，所述玻璃微珠的填充厚度与卵石层厚度之间的比例为5：1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10：1，各均质试验砂柱中玻璃微珠自右向左充填粒径依次递减，温度传感器的布置间距为10cm；在非均质试验砂柱中按粒径依次充填混合砂层、滤网层和卵石层，所述混合砂按照前述各均质试验砂柱中的玻璃微珠，从非均质试验砂柱的顶部到顶部方向分层设置，粒径依次递增，混合砂的每层玻璃微珠的填充厚度为5cm，4种粒径的比例为1:1:1:1，所述混合砂的填充厚度与卵石层厚度之间的比例为5：1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10:1,在非均质试验砂柱中温度传感器的布置间距10cm；所述对照砂柱内从顶至底依次填充有标准砂层、滤网层和卵石层，标准砂层与卵石层的填充厚度比例为5:1，卵石层填充厚度与滤网层填充厚度之间的比例为10：1。在试验砂柱的排水口处设置称重机构，对排出的流体量进行称重。步骤2：试验组参数确定：选取水温参数，以5℃为水温梯度，选取3组水温：35℃、40℃、45℃作为砂柱上边界试验温度，即恒温水箱的控制温度；选取水位差参数，以20cm为水位梯度，选取3组水位：150cm、170cm、190cm对砂柱内渗流速度进行控制；步骤3：具体热传导和对流弥散试验，按照不同的水温参数和水位参数设置试验组；热传导每组试验包括如下，步骤A：调节水箱的水位，使得测压机构的水压值符合每组试验的参数要求；通过恒温控制器和加热棒对恒温水箱内的试验流体进行加热直到温度均衡恒定，使得水温符合每组试验的要求参数；步骤B：通过同步机构打开各导流阀，并开始计时，使得恒温水箱内的流体与砂柱内多孔介质接触，温度通过热传导进入到试验砂柱内，同时通过温度传感器进行各试验砂柱不同位置的温度进行采集，采集的频率为1次/5s，记录各砂柱不同测点处的温度数据系列；对流弥散每组试验包括如下，步骤A：调节水箱的水位，使得测压机构的水压值符合每组试验的参数要求；通过恒温控制器和加热棒对恒温水箱内的试验流体进行加热直到温度均衡恒定，使得水温符合每组试验的要求参数；步骤B：通过同步机构打开各导流阀，同时，打开对应所有试验砂柱的排水口阀门，使得恒温水箱内的流体在水位差的作用下进入砂柱内，通过温度传感器进行各试验砂柱不同位置的温度进行采集，采集的频率为1次/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多尺度热量运移同步监测试验系统，包括试验砂柱组件、流路总成和传感单元；试验砂柱为多孔介质充填渗透柱，所述试验砂柱组件连接在流路总成的试验流路上，试验砂柱上阵列设置有传感单元的传感器阵列，传感器阵列连接在传感单元的数据接收处理模块上，其特征是：所述流路总成包括恒温恒压控制装置、瞬时导流装置、排流机构组成，试验砂柱组件包括若干呈对照阵列布置的试验砂柱，试验砂柱包括一个隔热外壳，各试验砂柱的隔热外壳的顶端通过瞬时导流装置连接到恒温水箱上进行供流，隔热外壳的底部连接到流路总成的流量获取机构上进行排流，在试验砂柱的隔热外壳内填充有供流体流动的多孔介质；所述传感器阵列包括阵列设置试验砂柱内的温度传感器，温度传感器的阵列轴线与试验砂柱的纵向轴线平行，所述温度传感器探头伸入到多孔介质中，温度传感器的数据输出端连接到温度自动采集系统上；在所述试验砂柱轴向两端上还设置有测压机构，通过测压机构获取试验砂柱轴向两端之间的压力差；所述瞬时导流装置包括若干设置在恒温水箱底部的与试验砂柱对应的导流阀，所述导流阀的驱动机构通过一个同步机构实现各导流阀同步的打开或关闭。

【技术特征摘要】
1.一种多尺度热量运移同步监测试验系统，包括试验砂柱组件、流路总成和传感单元；试验砂柱为多孔介质充填渗透柱，所述试验砂柱组件连接在流路总成的试验流路上，试验砂柱上阵列设置有传感单元的传感器阵列，传感器阵列连接在传感单元的数据接收处理模块上，其特征是：所述流路总成包括恒温恒压控制装置、瞬时导流装置、排流机构组成，试验砂柱组件包括若干呈对照阵列布置的试验砂柱，试验砂柱包括一个隔热外壳，各试验砂柱的隔热外壳的顶端通过瞬时导流装置连接到恒温水箱上进行供流，隔热外壳的底部连接到流路总成的流量获取机构上进行排流，在试验砂柱的隔热外壳内填充有供流体流动的多孔介质；所述传感器阵列包括阵列设置试验砂柱内的温度传感器，温度传感器的阵列轴线与试验砂柱的纵向轴线平行，所述温度传感器探头伸入到多孔介质中，温度传感器的数据输出端连接到温度自动采集系统上；在所述试验砂柱轴向两端上还设置有测压机构，通过测压机构获取试验砂柱轴向两端之间的压力差；所述瞬时导流装置包括若干设置在恒温水箱底部的与试验砂柱对应的导流阀，所述导流阀的驱动机构通过一个同步机构实现各导流阀同步的打开或关闭。2.如权利要求1所述的一种多尺度热量运移同步监测试验系统，其特征是：所述恒温水箱还包括恒温加热棒、温度感应器，所述加热棒和温度感应器之间通过恒温控制器连接，在所述恒温水箱内还设置有流体混合机构，所述流体混合机构包括一个流体驱动机构，通过流体驱动机构驱动流体在恒温水箱内流动。3.如权利要求2所述的一种多尺度热量运移同步监测试验系统，其特征是：所述流体混驱动机构包括一个水泵，通过水泵的驱动，将位于恒温水箱两侧的加热棒附近的流体输送到恒温水箱的中部。4.如权利要求1所述的一种多尺度热量运移同步监测试验系统，其特征是：所述隔热外壳包括一个圆柱内管和一个圆柱外管，圆柱内管和圆柱外管之间设置有环形的真空区，隔热空腔的轴向两端通过环形隔板封堵；在隔热外壳上阵列设置有若干传感器基座，所述传感器基座包括一个贯穿圆柱内管和圆柱外管的传感器固定套，传感器固定套的外壁与圆柱内管、圆柱外管之间密封连接，传感器通过传感器固定套插入到试验砂柱中部。5.如权利要求1所述的一种多尺度热量运移同步监测试验系统，其特征是：所述导流阀包括一个用于驱动阀塞的阀杆，所述同步机构包括一个连接各阀杆的滑杠，在滑杠上设置有台阶状的驱动导槽和直线状的引导槽，在恒温水箱内固定有若干定位滑块，所述定位滑块可沿驱动导槽滑动，在所述阀杆上设置有一个驱动滑块，所述驱动滑块可沿引导槽滑动，通过驱动滑杠的左右移动，使得滑杠在驱动导槽的驱动下发生上下移动，带动阀杆上下移动。6.如权利要求1所述的一种多尺度热量运移同步监测试验系统，其特征是：所述导流阀包括一个穿透恒温水箱底板的阀座，在所述阀座的底部设置有一个连接组件，所述连接组件包括一个套接在阀座外的连接套，连接套与阀套活动连接，在连接套的一端设置有与试验砂柱顶部对应的密封端面，在密封端面上设置有密封环，在密封端面与试验砂柱顶部密封连接时，过流孔道与试验砂柱之间导通。7.如权利要求1所述的一种多尺度热量运移同步监测试验系统，其特征是：所述恒温水箱还...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国庆，吴时强，范子武，谢忱，费香波，马振坤，乌景秀，柳杨，杨畅，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32