一种超重力地-气对流传热相似律验证试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超重力地

【技术实现步骤摘要】
一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置及方法


[0001]本专利技术属于岩土工程领域的相似律验证模拟装置及方法，尤其是涉及了一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置及方法。

技术介绍

[0002]超重力离心模拟试验，具有缩时缩尺的特点，在解决“大尺度”“长历时”岩土灾变问题中具有突出优势，目前也逐步应用到寒区冻土问题的相关研究中。比如有学者利用超重力离心试验手段探究长期冻融循环作用下冻土边坡失稳滑塌机制。在超重力离心模拟试验的设计中，为更好的还原原型岩土体的灾变过程，首先需确保原型与模型间灾变的关键物理过程相似，其次需确保关键物理量相似比尺的选择遵循真实物理过程。
[0003]目前已开展冻土方面的超重力试验，冻融物理过程的实现方式主要是以下3种模式：(1)降温过程采用涡流管制冷元件实现，升温过程采用土体表面覆盖加热元件实现；(2)降温过程采用土体表面覆盖冰毯实现，升温过程直接利用离心机室室温实现；(3)升/降温采用半导体配合空气对流部件实现。相关试验相似比尺均采用剑桥大学提出的土体传热时间相似律，即原型与模型传热时间比尺为N2。
[0004]上述超重力试验在试验设计方面存在两方面不足。第一，模型与原型真实的物理过程不相似。例如(1)(2)两种模式中，通过在土体上边界覆盖温控元件控制土体的热量交换，从而实现土体表面的冻胀
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融沉模拟，其传热过程为热传导，这与实际土体
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大气表面发生对流换热的物理过程不相似。第二，传热时间相似律选取与离心模型试验物理过程不匹配。比如(3)模式虽然解决掉了物理过程不相似的问题，但试验比尺采用土体传热时间相似律。土体中的传热模式为热传导模式，无法有效反映土
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气界面真实的热对流模式。
[0005]热对流模式和热传导模式无论在传热方式还是控制方程上均显著不同，热对流过程的模拟，原型与模型之间是否遵循热传导N2的时间比尺是寒区工程物理模拟中亟需解决的基础性问题。为了解决这一科学难题，亟需提出一种可模拟地
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气对流传热物理过程的试验方法，并研发配套的试验装置，科学严谨地量化地
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气对流传热相似律。

技术实现思路

[0006]为了解决所述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于设计一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置及方法。本专利技术目的是为在实验室内模拟地
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气对流传热过程，最终确定超重力场下的时间相似律。
[0007]本专利技术技术方案如下：
[0008]一、一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置：
[0009]包括气源供给系统、气流反馈控制系统、涡流管制冷系统和样品舱；气源供给系统的输入端与外界大气相通，气源供给系统的输出端通过管道与气流反馈控制系统的输入端相连，气流反馈控制系统的输出端通过管道与涡流管制冷系统的输入端相连，涡流管制冷系统的输出端(即冷端)与样品舱的输入端相连。
[0010]所述的气源供给系统主要由空压机、干燥机和预冷机组成；空压机的输入端与外界大气相通，空压机的输出端通过管道与干燥机的输入端相连，干燥机的输出端通过管道与预冷机的输入端相连，干燥机的输出端通过管道与预冷机的输入端相连，预冷机的输出端通过管道与气流反馈控制系统的输入端相连；
[0011]所述的气流反馈控制系统主要由压力型比例阀、流量型比例阀、流量计、压力表、可编程控制器组成，压力型比例阀的一端作为气流反馈控制系统的输入端与预冷机相连，压力型比例阀的另一端通过管道与流量计的一端相连，从压力型比例阀到流量计的管道上设置有流量型比例阀，流量计另一端分别与压力表和涡流管制冷系统的输入端相连，所述的压力型比例阀、流量型比例阀、流量计和压力表均与可编程控制器电连接。
[0012]所述的涡流管制冷系统主要由涡流管原件、输冷管道和涡流管支架组成；涡流管支架放置在地面上，涡流管原件放置在涡流管支架上，涡流管原件的输出端通过输冷管道与样品舱的输入端相连。
[0013]所述的样品舱主要由内部设有空腔的冷流舱、内部设有空腔的土体样品容器和钢支撑组成；土体样品容器放置在地面上，土体样品容器用于安装土体试样，冷流舱放置在土体样品容器上且冷流舱和土体样品容器之间通过钢支撑固定连接，冷流舱的侧壁上开设有若干个排气孔和一个进气口，进气口作为样品舱的输入端与涡流管制冷系统中的输冷管道连通，排气孔与外界大气相通，冷流舱外接有第一温度传感器，土体样品容器的侧壁上设置有若干个传感器通道，外部的第二温度传感器穿设过传感器通道后埋设入土体样品容器中的土体试样中，土体样品容器的底板中设有输水通道，输水通道外接外部水箱。
[0014]所述的土体样品容器的侧壁包括第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁位于第二侧壁的内部且第一侧壁和第二侧壁之间设有夹壁层，第一侧壁和第二侧壁在同一位置处设有开孔，传感器通道依次穿设过第二侧壁和第一侧壁的开孔后与土体样品容器中的空腔连通，第二侧壁上开设有真空孔，真空层通过真空孔与外部真空泵连通。
[0015]所述的冷流舱和土体样品容器均采用亚克力材料制成。
[0016]所述的第一温度传感器和第二温度传感器均与可编程控制器电连接，第一温度传感器和第二温度传感器均采用热电偶温度传感器。
[0017]二、一种装置的传热相似律验证模拟方法，包括以下步骤：
[0018]步骤1、根据预设的土体试样尺寸分别制作原型试样和若干个不同缩尺比例的模型试样，所述的土体试样为原型试样或模型试样，将原型试样放置在土体样品容器中，并在土体样品容器上布置十一个第二温度传感器，然后将冷流舱安装在土体样品容器上，最后将土体样品容器的侧壁与真空泵连接，利用真空泵对土体样品容器中的夹壁层进行真空抽取；
[0019]步骤2、完成真空抽取后利用空压机产生压缩气源，压缩气源依次经干燥机、预冷机、气流反馈控制系统和涡流管制冷系统后转换为冷流；
[0020]步骤3、进行常重力模拟试验
[0021]将步骤2中产生的冷流通过输冷管道通入装有原型试样的样品舱的冷流舱中，利用压力型比例阀、流量型比例阀和第一温度传感器监控冷流舱中的温度达到预设的温度阈值后，利用第二温度传感器获得原型试样的温度场；
[0022]步骤4、进行超重力模拟试验
[0023]经过预设的试验时间后，将土体试样从土体样品容器中取出，再将新的模型试样放置在土体样品容器中，调整土体样品容器上的第二温度传感器的位置使得第二温度传感器放置在预设的位置上，将冷流舱固定安装然后用真空泵对土体样品容器中的夹壁层进行真空抽取；
[0024]将装有模型试样的样品舱放置在离心机的吊篮中，控制离心机的重力值达到预设重力值，将步骤2中产生的冷流通过输冷管道通入装有模型试样的样品舱的冷流舱中，利用压力型比例阀、流量型比例阀和第一温度传感器监控冷流舱中的温度达到预设的温度阈值后，利用第二温度传感器获得模型试样的温度场；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置，其特征在于：包括气源供给系统、气流反馈控制系统、涡流管制冷系统(9)和样品舱(10)；气源供给系统的输入端与外界大气相通，气源供给系统的输出端通过管道与气流反馈控制系统的输入端相连，气流反馈控制系统的输出端通过管道与涡流管制冷系统(9)的输入端相连，涡流管制冷系统(9)的输出端(即冷端)与样品舱(10)的输入端相连。2.根据权利要求1所述的一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置，其特征在于：所述的气源供给系统主要由空压机(1)、干燥机(2)和预冷机(3)组成；空压机(1)的输入端与外界大气相通，空压机(1)的输出端通过管道与干燥机(2)的输入端相连，干燥机(2)的输出端通过管道与预冷机(3)的输入端相连，干燥机(2)的输出端通过管道与预冷机(3)的输入端相连，预冷机(3)的输出端通过管道与气流反馈控制系统的输入端相连；所述的气流反馈控制系统主要由压力型比例阀(4)、流量型比例阀(5)、流量计(6)、压力表(7)、可编程控制器(8)组成，压力型比例阀(4)的一端作为气流反馈控制系统的输入端与预冷机(3)相连，压力型比例阀(4)的另一端通过管道与流量计(6)的一端相连，从压力型比例阀(4)到流量计(6)的管道上设置有流量型比例阀(5)，流量计(6)另一端分别与压力表(7)和涡流管制冷系统(9)的输入端相连，所述的压力型比例阀(4)、流量型比例阀(5)、流量计(6)和压力表(7)均与可编程控制器(8)电连接。3.根据权利要求1所述的一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置，其特征在于：所述的涡流管制冷系统(9)主要由涡流管原件(901)、输冷管道(902)和涡流管支架(903)组成；涡流管支架(903)放置在地面上，涡流管原件(901)放置在涡流管支架(903)上，涡流管原件(901)的输出端通过输冷管道(902)与样品舱(10)的输入端相连。4.根据权利要求1所述的一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置，其特征在于：所述的样品舱(10)主要由内部设有空腔的冷流舱(1001)、内部设有空腔的土体样品容器(1003)和钢支撑(1005)组成；土体样品容器(1003)放置在地面上，土体样品容器(1003)用于安装土体试样，冷流舱(1001)放置在土体样品容器(1003)上且冷流舱(1001)和土体样品容器(1003)之间通过钢支撑(1005)固定连接，冷流舱(1001)的侧壁上开设有若干个排气孔(1002)和一个进气口，进气口作为样品舱(10)的输入端与涡流管制冷系统(9)中的输冷管道(902)连通，排气孔(1002)与外界大气相通，冷流舱(1001)外接有第一温度传感器，土体样品容器(1003)的侧壁上设置有若干个传感器通道(1004)，外部的第二温度传感器穿设过传感器通道(1004)后埋设入土体样品容器(1003)中的土体试样中，土体样品容器(1003)的底板中设有输水通道(1010)，输水通道(1010)外接外部水箱。5.根据权利要求1所述的一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置，其特征在于：所述的土体样品容器(1003)的侧壁包括第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁位于第二侧壁的内部且第一侧壁和第二侧壁之间设有夹壁层，第一侧壁和第二侧壁在同一位置处设有开孔，传感器通道(1004)依次穿设过第二侧壁和第一侧壁的开孔后与土体样品容器(1003)中的空腔连通，第二侧壁上开设有真空孔(1008)，真空层通过真空孔(1008)与外部真空泵连通。6.根据权利要求1所述的一种超重力地
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气对流传热相似律验证试验装置，其特征在于：所述的冷流舱(1001)和土体样品容器(1003)均采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁腾，杜洋，赵蕊，何矾，郑亚一，徐毫，赵宇，边学成，詹良通，陈云敏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：