[发明专利]多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统

说明书

技术领域

本发明涉及多孔介质中地下水流与热量耦合传热与储能问题的试验模型系统，特别是多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统。

背景技术

 砂槽内模拟的含水层属多孔介质的，地下水作为流体赋存在含水层孔隙中，并在其内流动，含水介质中热量运移是一个复杂的水-热-压力三场耦合问题，需要同时考虑水流、热量以及含水层上覆荷载的大小。在相同压力条件下，当地下水发生流动时，地下水中的热量运移主要通过对流（强迫对流）以及热动力弥散作用来实现，热动力弥散包括热传导和热机械弥散两部分。含水介质中地下水流动或静止、流速快慢、含水介质性质差异、抽-灌水温差等因素都会对含水介质中地下水流-热量耦合运移存在影响。另外，含水介质内部的热量运移形式还包括自然对流、水与含水介质骨架间的热传导等过程，这些作用虽然较为微弱、对热量运移的影响较小，但在不同的热源条件下自然对流对温度场计算结果的影响往往又不能忽略。在多孔介质热量运移和储能研究中，研究的数据大多来源于实际工程，然而由于野外地质条件复杂，试验操作难度大，数据不易监测等问题的存在，大量理论研究需要的数据难以获得，数据连续性差，导致理论研究滞后于工程应用，相对于国外研究，我国利用室内物理模型对水热耦合机理研究更显不足。因此，如何选择物理化全面相似的室内砂槽物理模型以及围绕试验模拟开展过程中需要的水位调节循环装置、恒温恒量注水装置、数据自动采集装置等一整套试验系统的开发显的尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于：

本发明的目的是针对含水层水-热耦合室内理论试验研究存在的不足，提供了一套结构简单，操作方便、试验功能多，用于研究多种条件下含水层水热耦合温度场变化规律以及对含水层一系列水热参数的精确测定与反演、解析解验证、数值模拟等多功能试验系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种多孔介质含水层水-热耦合砂槽物理模型试验系统，所述的模型试验系统包括砂槽箱，水位调节循环装置，温度自动采集装置和恒温定流量注水装置；

所述砂槽箱包括若干实验井，多孔介质，测压软管，玻璃转子流量计，加热装置，砂槽箱外体和多孔介质，所述砂槽箱外体底部设置有数目实验井相等的测压软管和玻璃转子流量计，所述玻璃转子流量计通过测压软管和实验井底部连通，在所述任意一口试验井中安装有加热装置；

所述水位调节循环装置包括装置外筒和自吸泵，所述装置外筒和砂槽箱外体通过低渗透材料连通；

所述温度自动采集装置包括温度传感器和温度自动采集器，所述温度传感器设置于所述砂槽箱的多孔介质中，另一端与温度自动采集器连接；

所述恒温定流量注水装置包括自吸泵，注水桶，加热装置和转子流量计，所述自吸泵通过转子流量计与所述实验井连接，所述加热装置设置在注水桶中，所述自吸泵另一端和钢桶连接。

作为本发明的进一步创新，所述多孔介质下部铺设有隔热材料，上部逐层铺设有隔热材料，隔水介质和加压顶板。

作为本发明的进一步创新，所述自吸泵和玻璃转子流量计之间设置有三通和三通开关，所述三通开关和自吸泵通过三通互相连通，三通的另外一端通过导管通入注水桶中，三通开关的另一端和玻璃转子流量计连接，所述供水桶和实验井中设置有温度传感器，所述自吸泵、温度传感器和注水桶中的加热装置均连接在单片机上，所述供水桶中设置有搅拌机。通过如上装置，使水温保持在恒温控制系统设定的温度范围内，当温度低于设定最低温度时，自动加热，当温度高于设定最高温度时，启动水泵抽水降温，使注水桶和试验井中的水保持一个恒定的温度，同时通过玻璃转子流量计可以实时的监测到水的流量，更进一步的增加了试验系统使用的方便性和自动化，试验数据也更加精确（0.1-1L/h），稳定性强，造价成本也低，整个恒温恒量系统的成本价是市场上现有蠕动泵价格的1/4左右，此套设备不仅可以用于实验室，同时也可以进行野外场地的实验。

作为本发明的进一步创新，所述的恒温定流量注水装置设置有供水桶，所述注水桶与供水桶通过水平连通管连接，供水桶内安装有溢出管，所述恒温定流量注水装置设置有回水池，所述回水池通过软管与一自吸泵相连接，所述自吸泵通过软管与供水桶相连接，所述溢出管另一端与集水池连接，通过加装供水桶实现水的恒量添加，保证注水桶的水量的恒定，同时又防止了水的浪费。