多尺度热量运移同步监测试验系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种多尺度热量运移同步监测试验系统，系统包括砂柱组件、流路总成及温度传感单元。砂柱组件包括若干呈对照阵列布置，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。可以进行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。

【技术实现步骤摘要】
多尺度热量运移同步监测试验系统
本技术涉及多尺度热量运移同步监测试验系统，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。本技术解决其技术问题所采用的技术方案：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。本技术的有益效果是：1、本技术通过一个可以瞬间打开、关闭的恒温水箱机构实现对各个试验砂柱中流体的统一控制，保证各个试验砂柱中流体的时间、温度等参数的一致性，提高试验数据组的准确度，本设备的结构相比于传统的试验砂柱结构泛用度更为广泛，可以适用于流体渗透试验、溶质运移试验、热量运移试验等。2、改进性的通过支架实现对试验砂柱的统一固定，其尺寸、倾角均可控且调节方便，而且试验砂柱之间互不干扰，不发生传热和传质，试验过程更为稳定，试验数据对照性强，也更为准确。3、本技术在恒温水箱内加入恒温加热机构，保证了水箱内流体温度的恒定，提高了试验数据的准确性，同时水箱上设置的流体循环驱动机构可以保证恒温水箱内流体温度分布的均匀性，解决了水箱边缘流体散热过快，加热器部位流体局部温度过高和温度的分层分布的问题；本技术的试验砂柱采用了真空的隔热层结构，克服了传统采用保温材料包裹达不到绝热边界要求的缺点，避免了包裹不严密带来的人为误差，传感器的固定方式对隔热的影响也更低；水、气分离密封结构克服了传统传感器使用时的密封效果差、不可拆卸和更换困难等问题。4、本技术采用了一个滑杠结构的统一开启和关闭机构实现对阀门的控制，相比于采用电子阀门结构进行统一控制，本结构的机械式驱动稳定性更高，反应更加直接，进一步保证了试验数据的稳定性。5、本技术设置在阀座上的连接组件可以方便的实现阀门水路和试验砂柱的分离，从而方便的实现对试验砂柱的更换以及调整，此外本结构也可以提高阀门清洁的方便性。6、溢流箱可以方便的对水箱水位进行调整，从而实现对试验砂柱顶部水压的调节，简单方便。7、本技术采用的玻璃微珠圆度高，粒径可控度高，而且不易受压力、温度、流体酸碱度等参数的影响，可以有效的降低试验误差。8、本技术为半无限大含水层对流弥散试验提供了精确控制的试验系统。附图说明下面结合附图和实施例对本技术进一步说明。图1是本技术的结构总成图；图2是本技术水箱和试验砂柱的组合示意图；图3是水箱中同步机构的结构示意图；图4是连杆式机构的结构示意图；图5是电驱动式机构的结构示意图；图6是试验砂柱的结构示意图；图7是热运量运移模式图；图8是热扩散率的试验值与解析解对比曲线的对比曲线图；图9是测定位置z1＝0.08m与z2＝0.18m的解析拟合曲线图。图中：1、恒温水箱；2、恒温加热棒；3、溢流水箱；3-1、溢流槽；4、支架；5、试验砂柱；6、伸缩套；7-1、排水管；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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.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所述的多尺度热量...

【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：新型
国别省市：江苏,32