[發明專利]多孔介質含水層水-熱耦合砂槽物理模型試驗系統

有效

• 申請號: 201310063661.4
• 申請日: 2013-02-28
• 公開（公告）號: CN103115937A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 劉國慶;周志芳;吳蓉;王錦國
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N25/18
• 分類號: G01N25/18;G01N25/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術領域

本發明涉及多孔介質中地下水流與熱量耦合傳熱與儲能問題的試驗模型系統，特別是多孔介質含水層水-熱耦合砂槽物理模型試驗系統。

背景技術

?砂槽內模擬的含水層屬多孔介質的，地下水作為流體賦存在含水層孔隙中，并在其內流動，含水介質中熱量運移是一個復雜的水-熱-壓力三場耦合問題，需要同時考慮水流、熱量以及含水層上覆荷載的大小。在相同壓力條件下，當地下水發生流動時，地下水中的熱量運移主要通過對流（強迫對流）以及熱動力彌散作用來實現，熱動力彌散包括熱傳導和熱機械彌散兩部分。含水介質中地下水流動或靜止、流速快慢、含水介質性質差異、抽-灌水溫差等因素都會對含水介質中地下水流-熱量耦合運移存在影響。另外，含水介質內部的熱量運移形式還包括自然對流、水與含水介質骨架間的熱傳導等過程，這些作用雖然較為微弱、對熱量運移的影響較小，但在不同的熱源條件下自然對流對溫度場計算結果的影響往往又不能忽略。在多孔介質熱量運移和儲能研究中，研究的數據大多來源于實際工程，然而由于野外地質條件復雜，試驗操作難度大，數據不易監測等問題的存在，大量理論研究需要的數據難以獲得，數據連續性差，導致理論研究滯后于工程應用，相對于國外研究，我國利用室內物理模型對水熱耦合機理研究更顯不足。因此，如何選擇物理化全面相似的室內砂槽物理模型以及圍繞試驗模擬開展過程中需要的水位調節循環裝置、恒溫恒量注水裝置、數據自動采集裝置等一整套試驗系統的開發顯的尤為重要。

發明內容

本發明的目的在于：

本發明的目的是針對含水層水-熱耦合室內理論試驗研究存在的不足，提供了一套結構簡單，操作方便、試驗功能多，用于研究多種條件下含水層水熱耦合溫度場變化規律以及對含水層一系列水熱參數的精確測定與反演、解析解驗證、數值模擬等多功能試驗系統。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種多孔介質含水層水-熱耦合砂槽物理模型試驗系統，所述的模型試驗系統包括砂槽箱，水位調節循環裝置，溫度自動采集裝置和恒溫定流量注水裝置；

所述砂槽箱包括若干實驗井，多孔介質，測壓軟管，玻璃轉子流量計，加熱裝置，砂槽箱外體和多孔介質，所述砂槽箱外體底部設置有數目實驗井相等的測壓軟管和玻璃轉子流量計，所述玻璃轉子流量計通過測壓軟管和實驗井底部連通，在所述任意一口試驗井中安裝有加熱裝置；

所述水位調節循環裝置包括裝置外筒和自吸泵，所述裝置外筒和砂槽箱外體通過低滲透材料連通；

所述溫度自動采集裝置包括溫度傳感器和溫度自動采集器，所述溫度傳感器設置于所述砂槽箱的多孔介質中，另一端與溫度自動采集器連接；

所述恒溫定流量注水裝置包括自吸泵，注水桶，加熱裝置和轉子流量計，所述自吸泵通過轉子流量計與所述實驗井連接，所述加熱裝置設置在注水桶中，所述自吸泵另一端和鋼桶連接。

作為本發明的進一步創新，所述多孔介質下部鋪設有隔熱材料，上部逐層鋪設有隔熱材料，隔水介質和加壓頂板。

作為本發明的進一步創新，所述自吸泵和玻璃轉子流量計之間設置有三通和三通開關，所述三通開關和自吸泵通過三通互相連通，三通的另外一端通過導管通入注水桶中，三通開關的另一端和玻璃轉子流量計連接，所述供水桶和實驗井中設置有溫度傳感器，所述自吸泵、溫度傳感器和注水桶中的加熱裝置均連接在單片機上，所述供水桶中設置有攪拌機。通過如上裝置，使水溫保持在恒溫控制系統設定的溫度范圍內，當溫度低于設定最低溫度時，自動加熱，當溫度高于設定最高溫度時，啟動水泵抽水降溫，使注水桶和試驗井中的水保持一個恒定的溫度，同時通過玻璃轉子流量計可以實時的監測到水的流量，更進一步的增加了試驗系統使用的方便性和自動化，試驗數據也更加精確（0.1-1L/h），穩定性強，造價成本也低，整個恒溫恒量系統的成本價是市場上現有蠕動泵價格的1/4左右，此套設備不僅可以用于實驗室，同時也可以進行野外場地的實驗。

作為本發明的進一步創新，所述的恒溫定流量注水裝置設置有供水桶，所述注水桶與供水桶通過水平連通管連接，供水桶內安裝有溢出管，所述恒溫定流量注水裝置設置有回水池，所述回水池通過軟管與一自吸泵相連接，所述自吸泵通過軟管與供水桶相連接，所述溢出管另一端與集水池連接，通過加裝供水桶實現水的恒量添加，保證注水桶的水量的恒定，同時又防止了水的浪費。