裂隙试样渗流传热过程中水岩界面对流换热系数测量方法技术

本发明专利技术公开了一种裂隙试样渗流传热过程中水岩界面对流换热系数测量方法。通过液体恒压恒流高精度注入系统和冷驱热水流恒温控制系统向对流换热系数测试系统注入恒温恒流的水流，再通过对流换热系数测试系统测量水岩界面对流换热系数h，在测量时与之有关的变量，如流量、进口水温、裂隙初始隙宽b0、裂隙隙宽变形Δb都能按实验者要求设定，试验测量的变量，如出口水流量Q、裂隙出口水温Tout、裂隙内沿程水温Tf、裂隙内表面温度Ti都能被精确测量，最终计算得到对流换热系数h。本发明专利技术控制变量更加精确，可以通过改进的计算方法得出某种状态下的对流换热系数h的数值，并能够研究h与不同变量之间的定量关系。

Measurement Method of Convection Heat Transfer Coefficient of Water-rock Interface in Seepage Heat Transfer Process of Fractured Specimens

The invention discloses a method for measuring the convective heat transfer coefficient of water-rock interface in the process of seepage heat transfer of a fracture sample. The constant-temperature and constant-flow water flow is injected into the convective heat transfer coefficient measurement system through the constant-pressure and constant-flow high-precision injection system of liquid and the constant-temperature control system of cold drive hot water flow. Then the convective heat transfer coefficient h at the water-rock interface is measured by the convective heat transfer coefficient measurement system. Variables related to the measurement, such as flow rate, inlet water temperature, initial crack width b, crack width deformation b, can all be according to the experimenter. It is required that the variables measured by the test, such as the outlet water flow Q, the outlet water temperature Tout, the water temperature Tf along the crack and the temperature Ti on the inner surface of the crack, can be accurately measured, and finally the convective heat transfer coefficient h can be calculated. The control variable of the invention is more precise, and the value of convective heat transfer coefficient h under a certain state can be obtained by an improved calculation method, and the quantitative relationship between H and different variables can be studied.

【技术实现步骤摘要】
裂隙试样渗流传热过程中水岩界面对流换热系数测量方法
本专利技术涉及一种对流换热系数的测算方法，具体是一种裂隙试样渗流传热过程中水岩界面对流换热系数测量方法，属于矿山地热与热害防治领域。
技术介绍
随着我国东部及部分中部地区进入深地开采，高地温矿井越来越普遍，针对深循环上升地下水引起的高热异常矿井，其地热资源进行主动利用或被动防治成为绿色矿山新的研究方向。该研究课题需要解决的关键问题包括岩体裂隙网络中水-热迁移特性研究，其中进行单裂隙水-热迁移特性试验研究是基础工作。上述公式是单裂隙渗流-传热过程中岩石温度场、裂隙水温度场模型，上述公式中，国内外研究对岩体中热传导、流体内部热传导和热对流有准确描述，但是针对水-岩界面热量交换缺乏系统研究，其中对流换热系数h(下文简称h)决定基岩和裂隙水之间的热量交换，针对裂隙系统的传热，目前对h的取值没有合适的经验公式或者精确的理论，而且有关试验少之又少。在国内外很多研究中，基本上是将水-岩界面的对流换热系数h等效为定值或忽略(局部热平衡假设)，这样处理使得问题简化，但是在实际情况下这是不合适的，对流换热系数h是一个动态值，和流速v、隙宽b，水岩界面几何特征、水岩的热物理性质等有关，基于此，详细测量某种状态下的水岩界面对流换热系数h及定量表征h和上述变量的关系具有重要意义，如能将合理的对流换热系数应用于裂隙网络渗流-传热数值模拟，在模拟中根据不同的模拟条件对h动态赋值，能够使得最终的模拟结果更加准确，对于生产具有指导意义。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种渗流传热过程水岩界面对流换热系数测算方法，可以测量不同状态下水岩界面对流换热系数，定量研究水岩界面对流换热系数与不同环境变量之间的关系。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种裂隙试样渗流传热过程中水岩界面对流换热系数测量方法，包括如下步骤：步骤一：用砂线切割机切割为具有某一粗糙特征的单裂隙试样，并用0.8mm钻头从单裂隙试样表面向内间隔钻设多个通孔和沉孔，沉孔的底部靠近裂隙面，孔径1mm，将测温线分别置入通孔、沉孔和检测通道中，再将单裂隙试样装入夹持器中，并使隙宽测量装置的探头垂直于裂隙面，测温线皆通过出口堵头中设置的布线槽引出夹持器并连接至数据采集器；步骤二：打开开关、排气阀、循环阀Ⅱ，关闭循环阀Ⅰ，再驱动环压泵排出围压腔中的空气，关闭排气阀，向围压腔内加入压力油施加围压σ3并测出该围压下裂隙的变形为Δb，可以知道在围压σ3条件下的裂隙隙宽为b0-Δb；关闭开关稳压后用加热套加热夹持器至目标温度T0，打开循环阀Ⅰ，循环泵进行工作，将围压腔中的压力油抽出进行循环保持均温，温度稳定后，在热量传递作用下单裂隙试样外表面温度、围压腔中的压力油温度均与夹持器表面温度一致，均为T0；步骤三：开启液体恒压恒流高精度注入系统和冷驱热水流恒温控制系统，向管线Ⅰ中注入流量Q、温度为Tin1的水流，此时夹持器入口水温即为Tin1；关闭夹持器出水管上的三通阀，打开阀门Ⅱ，此时水流经管线Ⅰ进入入口堵头并经入口假岩芯的水流通道进入裂隙面，由于三通阀被关闭，水流会从入口堵头的另一条水流通孔流出、经管线Ⅱ排出夹持器，入口假岩芯的检测通道中的测温线测得的温度即为裂隙入口水温Tin2，温度传感器监测到的温度为夹持器入口水温Tin1，对夹持器入口水温Tin1和裂隙入口水温Tin2在不同的流量Q、单裂隙试样外表面温度T0条件下的关系进行标定，得出Tin2与Tin1的关系，据此保证Tin2与设计值一致；步骤四：需要研究在某一裂隙入口水温Tin2、裂隙隙宽为b0-Δb、单裂隙试样外表面温度T0、流量Q下的传热情况时，先依据上述步骤三的Tin2与Tin1的关系得到该工况下的Tin1值，控制高低温恒温水浴将水流温度恒温至Tin1，并控制液体恒压恒流高精度注入系统注入流量为Q的水，水流从管线Ⅱ流出，当温度传感器检测温度达到Tin1时，打开三通阀、关闭阀门Ⅱ，此时水流从夹持器中的单裂隙试样中经过，待流量稳定后，利用出口假岩芯的检测通道中的测温线测得裂隙出口水温Tout，利用各通孔中的测温线测得裂隙内沿程水温Tf、利用各沉孔中的测温线测得裂隙内表面温度Ti；步骤五：根据得到的数据推导计算得到对流换热系数h，计算过程如下：水岩达到稳态后，岩石内部热传导、水岩交换的热量、水带走的热量三者相等，其中，水带走的热量为：Q1＝cpqvρw(Tout-Tin2)其中，Q1——水带走的热量，J/s；cp——水的定压比热，J/(kg·K)；qv——水的流量，m3/s；ρw——水的密度，kg/m3；qv为流体的体积流量，qv＝v*b*2R，v为水的速度，b为隙宽，R为圆柱形的单裂隙试样的半径；水岩交换的热量为：其中，——岩石整个内表面的平均温度；为水流沿整个面的平均温度；h——对流换热系数，W/m2·K；A——水岩接触面积，在试验中为2wL，w为裂隙宽，在试验中为2R，L为单裂隙试样的长度；上述两个热量相等，则：①当流体流量在5ml/min以下时，单裂隙试样的圆柱径向温度呈线性分布，此时岩石内表面的平均温度为：上式中，为装置测出的多个裂隙内表面温度Ti的平均值，T0为岩石外表面温度，此时水流的平均温度为：T1为装置根据测出的多个裂隙内沿程水温Tf为基础得到拟合曲线，拟合公式形式如下：T1＝T0+(Tin2-T0)exp(-B)式中，B为拟合曲线的系数；则水流的平均温度为：上式中，为裂隙内沿程水温的平均值；则，此种工况下对流换热系数h的计算公式为：②当流体流量在5ml/min以上时，单裂隙试样的圆柱径向温度呈二次函数分布，此时，此时岩石内表面的平均温度为：上式中，为装置测出的多个裂隙内表面温度Ti的平均值，T0为岩石外表面温度，在这种较高流速下，水流的平均温度为：则，此种工况下对流换热系数h的计算公式为：上述步骤三中，开启液体恒压恒流高精度注入系统和冷驱热水流恒温控制系统向管线Ⅰ中注入流量Q、温度为Tin1的水流的具体过程为：①冷驱热水流恒温控制系统的恒温箱启动，将结构内整个环境温度加热至温度Tin1；②高低温水浴预加热：由高低温恒温水浴将水加热至设定温度Tin1；③冲液阶段：控制器控制第六转换阀、第七转换阀、第二转换阀、第三转换阀打开，其余转换阀关闭，打开补液泵将高低温恒温水浴中的热水泵入第一双向活塞缸和第二双向活塞缸中，此时热水会推动活塞移动并进入第一双向活塞缸和第二双向活塞缸中，恒温箱实时补偿此过程中的热损失，活塞的移动位置信号可由位移传感器采集到并传输至控制器，控制器根据位置信号判断冲液完成时，关闭第七转换阀、第三转换阀；④启动恒压恒流双缸泵，将冷水容器中的水以恒定的流量Q通过输水管线注入冷驱热水流恒温控制系统；⑤控制打开第四转换阀、第八转换阀，此时恒压恒流双缸泵注入冷水反向推动第二双向活塞缸中的活塞、将其中的热水注入到夹持器中，此时第一双向活塞缸处于等待状态；⑥控制器根据第二双向活塞缸的位移传感器检测的位移信号判断第二双向活塞缸注液完成后，关闭第四转换阀、第八转换阀、第二转换阀、第六转换阀，打开第三转换阀、第七转换阀、第一转换阀、第五转换阀，此时热水会推动活塞移动并进入第二双向活塞缸中，为第二双向活塞缸补液；与此同时恒压恒流双缸泵驱动冷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种裂隙试样渗流传热过程中水岩界面对流换热系数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：用砂线切割机切割为具有某一粗糙特征的单裂隙试样(13)，并用0.8mm钻头从单裂隙试样(13)表面向内间隔钻设多个通孔(13‑1)和沉孔(13‑2)，沉孔(13‑2)的底部靠近裂隙面(13‑3)，孔径1mm，将测温线(21)分别置入通孔(13‑1)、沉孔(13‑2)和检测通道(50)中，再将单裂隙试样(13)装入夹持器中，并使隙宽测量装置(14)的探头(14‑1)垂直于裂隙面(13‑3)，测温线(21)皆通过出口堵头(35)中设置的布线槽(17)引出夹持器并连接至数据采集器(70)；步骤二：打开开关(26)、排气阀(28)、循环阀Ⅱ(29)，关闭循环阀Ⅰ(27)，再驱动环压泵(23)排出围压腔中的空气，关闭排气阀(28)，向围压腔内加入压力油施加围压σ3并测出该围压下裂隙的变形为Δb，可以知道在围压σ3条件下的裂隙隙宽为b0‑Δb；关闭开关(26)稳压后用加热套(25)加热夹持器至目标温度T0，打开循环阀Ⅰ(27)，循环泵(24)进行工作，将围压腔中的压力油抽出进行循环保持均温，温度稳定后，在热量传递作用下单裂隙试样(13)外表面温度、围压腔中的压力油温度均与夹持器表面温度一致，均为T0；步骤三：开启液体恒压恒流高精度注入系统和冷驱热水流恒温控制系统，向管线Ⅰ(33)中注入流量Q、温度为Tin1的水流，此时夹持器入口水温即为Tin1；关闭夹持器出水管上的三通阀(31)，打开阀门Ⅱ(32‑1)，此时水流经管线Ⅰ(33)进入入口堵头(11)并经入口假岩芯(12)的水流通道(40)进入裂隙面(13‑3)，由于三通阀(31)被关闭，水流会从入口堵头(11)的另一条水流通孔流出、经管线Ⅱ(32)排出夹持器，入口假岩芯(12)的检测通道(50)中的测温线(21)测得的温度即为裂隙入口水温Tin2，温度传感器(18)监测到的温度为夹持器入口水温Tin1，对夹持器入口水温Tin1和裂隙入口水温Tin2在不同的流量Q、单裂隙试样(13)外表面温度T0条件下的关系进行标定，得出Tin2与Tin1的关系，据此保证Tin2与设计值一致；步骤四：需要研究在某一裂隙入口水温Tin2、裂隙隙宽为b0‑Δb、单裂隙试样外表面温度T0、流量Q下的传热情况时，先依据上述步骤三的Tin2与Tin1的关系得到该工况下的Tin1值，控制高低温恒温水浴(3)将水流温度恒温至Tin1，并控制液体恒压恒流高精度注入系统注入流量为Q的水，水流从管线Ⅱ(32)流出，当温度传感器(18)检测温度达到Tin1时，打开三通阀(31)、关闭阀门Ⅱ(32‑1)，此时水流从夹持器中的单裂隙试样(13)中经过，待流量稳定后，利用出口假岩芯(34)的检测通道(50)中的测温线(21)测得裂隙出口水温Tout，利用各通孔(13‑1)中的测温线(21)测得裂隙内沿程水温Tf、利用各沉孔(13‑2)中的测温线(21)测得裂隙内表面温度Ti；步骤五：根据得到的数据推导计算得到对流换热系数h，计算过程如下：水岩达到稳态后，岩石内部热传导、水岩交换的热量、水带走的热量三者相等，其中，水带走的热量为：Q1＝cpqvρw(Tout‑Tin2)其中，Q1——水带走的热量，J/s；cp——水的定压比热，I/(kg·K)；qv——水的流量，m3/s；ρw——水的密度，kg/m3；qv为流体的体积流量，qv＝v*b*2R，v为水的速度，b为隙宽，R为圆柱形的单裂隙试样(13)的半径；水岩交换的热量为：...

【技术特征摘要】
1.一种裂隙试样渗流传热过程中水岩界面对流换热系数测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：用砂线切割机切割为具有某一粗糙特征的单裂隙试样(13)，并用0.8mm钻头从单裂隙试样(13)表面向内间隔钻设多个通孔(13-1)和沉孔(13-2)，沉孔(13-2)的底部靠近裂隙面(13-3)，孔径1mm，将测温线(21)分别置入通孔(13-1)、沉孔(13-2)和检测通道(50)中，再将单裂隙试样(13)装入夹持器中，并使隙宽测量装置(14)的探头(14-1)垂直于裂隙面(13-3)，测温线(21)皆通过出口堵头(35)中设置的布线槽(17)引出夹持器并连接至数据采集器(70)；步骤二：打开开关(26)、排气阀(28)、循环阀Ⅱ(29)，关闭循环阀Ⅰ(27)，再驱动环压泵(23)排出围压腔中的空气，关闭排气阀(28)，向围压腔内加入压力油施加围压σ3并测出该围压下裂隙的变形为Δb，可以知道在围压σ3条件下的裂隙隙宽为b0-Δb；关闭开关(26)稳压后用加热套(25)加热夹持器至目标温度T0，打开循环阀Ⅰ(27)，循环泵(24)进行工作，将围压腔中的压力油抽出进行循环保持均温，温度稳定后，在热量传递作用下单裂隙试样(13)外表面温度、围压腔中的压力油温度均与夹持器表面温度一致，均为T0；步骤三：开启液体恒压恒流高精度注入系统和冷驱热水流恒温控制系统，向管线Ⅰ(33)中注入流量Q、温度为Tin1的水流，此时夹持器入口水温即为Tin1；关闭夹持器出水管上的三通阀(31)，打开阀门Ⅱ(32-1)，此时水流经管线Ⅰ(33)进入入口堵头(11)并经入口假岩芯(12)的水流通道(40)进入裂隙面(13-3)，由于三通阀(31)被关闭，水流会从入口堵头(11)的另一条水流通孔流出、经管线Ⅱ(32)排出夹持器，入口假岩芯(12)的检测通道(50)中的测温线(21)测得的温度即为裂隙入口水温Tin2，温度传感器(18)监测到的温度为夹持器入口水温Tin1，对夹持器入口水温Tin1和裂隙入口水温Tin2在不同的流量Q、单裂隙试样(13)外表面温度T0条件下的关系进行标定，得出Tin2与Tin1的关系，据此保证Tin2与设计值一致；步骤四：需要研究在某一裂隙入口水温Tin2、裂隙隙宽为b0-Δb、单裂隙试样外表面温度T0、流量Q下的传热情况时，先依据上述步骤三的Tin2与Tin1的关系得到该工况下的Tin1值，控制高低温恒温水浴(3)将水流温度恒温至Tin1，并控制液体恒压恒流高精度注入系统注入流量为Q的水，水流从管线Ⅱ(32)流出，当温度传感器(18)检测温度达到Tin1时，打开三通阀(31)、关闭阀门Ⅱ(32-1)，此时水流从夹持器中的单裂隙试样(13)中经过，待流量稳定后，利用出口假岩芯(34)的检测通道(50)中的测温线(21)测得裂隙出口水温Tout，利用各通孔(13-1)中的测温线(21)测得裂隙内沿程水温Tf、利用各沉孔(13-2)中的测温线(21)测得裂隙内表面温度Ti；步骤五：根据得到的数据推导计算得到对流换热系数h，计算过程如下：水岩达到稳态后，岩石内部热传导、水岩交换的热量、水带走的热量三者相等，其中，水带走的热量为：Q1＝cpqvρw(Tout-Tin2)其中，Q1——水带走的热量，J/s；cp——水的定压比热，I/(kg·K)；qv——水的流量，m3/s；ρw——水的密度，kg/m3；qv为流体的体积流量，qv＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：万志军，王骏辉，张源，程敬义，张洪伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32