水热耦合模型实验装置

摘要

本发明涉及一种水热耦合模型实验装置，主体部包括箱体、可开闭的箱盖，箱体的内部可抽出地设置有滤板组合，滤板组合包括至少两块滤板，至少两块滤板将箱体的内部分隔为依次排列的至少三个区域，至少三个区域中至少两个为内部分别设置有供水管组的第一区域；加热供水机组的数目与第一区域数量相同，且对应地与各第一区域所在位置的进水口和出水口相连接，每个加热供水机组包括水箱、水泵。通过连接不同的进水口和出水口可以控制含水层中水体的渗流方向和渗流速度，从而可以模拟不同的水流状态；各第一区域形成相对封闭水循环，可以设置水体不同的压力和温度，且基本维持稳定；通过滤板组合，可以很方便的设置出不同层的土体。

权利要求

1.一种水热耦合模型实验装置，用于土中水热耦合模型实验，所述的土为自然界中各种粒径的尚未固结成岩的松散堆积物，其特征在于：所述水热耦合模型实验装置包括主体部（1）和加热供水机组（2），所述的主体部（1）包括箱体（11）和可开闭的箱盖（12），所述箱体（11）的内部可抽出地设置有滤板组合，所述滤板组合包括至少两块滤板（13），所述至少两块滤板（13）将所述箱体（11）的内部分隔为依次排列的至少三个区域，所述至少三个区域中至少两个为内部分别设置有供水管组（14）的第一区域（111）且至少一个为内部设置有与终端设备相连接的多个检测装置（15）的第二区域（112），所述箱体（11）的相对的两侧壁上分别开设有进水口（113）和出水口（114），所述进水口（113）和出水口（114）的位置对应所述第一区域（111），每个所述第一区域（111）对应的所述进水口（113）和所述出水口（114）均有多个，所述供水管组（14）与其所在第一区域（111）所对应的至少一个进水口（113）相连接；

所述的加热供水机组（2）的数目与所述第一区域（111）数量相同，且对应地与各第一区域（111）所在位置的所述进水口（113）和出水口（114）相连接，每个所述加热供水机组（2）包括水箱（21）和水泵（22）。

2.根据权利要求1所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述箱体（11）的外侧设置在外框架（16），所述箱盖（12）能够上下移动地设置在所述外框架（16）上。

3.根据权利要求2所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述的箱盖（12）上固定连接有螺杆（161），所述螺杆（161）与所述的外框架（16）之间通过螺纹上下移动地连接。

4.根据权利要求1所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述的箱盖（12）上具有用于供所述检测装置（15）与终端设备之间的连接线通过的出口部（18），该出口部（18）包括与所述箱盖（12）相连接的连接框（181）和与所述连接框（181）相连接的板体（182），所述板体（182）上开设有多个通孔（1821）。

5.根据权利要求1所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述箱体（11）的内壁开设有连接槽，所述滤板（13）通过连接槽与箱体（11）可脱离地相连接。

6.根据权利要求1所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述的滤板（13）包括支撑框架、连接在所述支撑框架上的两层滤网和填设在所述两层滤网之间的过滤材料。

7.根据权利要求1所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述的供水管组（14）包括第一水管（141）和与所述第一水管（141）相连通的多根第二水管（142），所述第二水管（142）上开设有多个出水孔，且第二水管（142）与第一水管（141）垂直设置，所述第一水管（141）与其所在第一区域（111）所对应的至少一个进水口（113）相连接。

8.根据权利要求1所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述的滤板组合和供水管组（14）均有至少两种尺寸规格，一种尺寸规格的滤板组合和供水管组（14）用于将所述箱体（11）的内部分隔为上下排列的多个区域，另一种尺寸规格的滤板组合和供水管组（14）用于将所述箱体（11）的内部分隔为水平排列的多个区域。

9.根据权利要求1所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述的加热供水机组（2）还包括对所述水箱（21）内的水加热的加热器（23）和控制调节加热温度的电控柜（24）。

10.根据权利要求1所述的水热耦合模型实验装置，其特征在于：所述的水箱（21）与水泵（22）之间设置有闸阀（25）和止回阀（26）。

说明书

水热耦合模型实验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水热耦合模型实验装置，适用于浅层地温能研究，应用于地质工程领域、水文与水资源工程领域及环境工程领域。

背景技术

[0002] 浅层地温与气温紧密相关。地下土层有着更高的热容量和较低的扩散系数，并能记录大气温度变化的趋势。地面温度与空气温度保持着相近的波动变化，这种波动幅度随着深度逐渐减小，并能达到地下20-30米深处。在更深的地层里，土体温度的相对变化可以反映过去数个世纪全球变暖的趋势。深部的地温遵循着每100m增加3°C趋势。而在近地表的100米内，由于地表热流量作用，平均地温梯度的变化则相对较小。同时，地下水流动也会促进地下的热对流，并混合地表缓慢变化的热状态。在地面以下，持续的地下水变动和季节影响，使得地下土层温度在垂直方向上存在着特有的趋势。地表水和地下水之间存在紧密的联系，而它们之间的交互形式、规律以及影响因素的研究一直是水工环地质的研究热点，浅层地温可以作为示踪剂研究地表水与地下水之间的交互。此外，浅层地温的分布情况也可作为评价地质环境的参数之一。不同的场地条件，岩土体性质、水文地质条件、环境气候的不同都会影响浅层地温的分布。因此，如何室内模拟出来自然条件下的地温场分布以及定量的去研究浅层地温的影响因素和变化规律是目前需要解决的问题。

[0003] 目前针对浅层地温方面的研究主要集中在野外数据的采集、基于土样的室内相关参数测试、数值模拟方面，有一些关于水土耦合和地表水地下水交互的室内模拟实验，但是都是一维或者二维的模拟，而且模型箱普遍很小，边界效应影响大，且装置的设计只是为了满足某一方面的模拟研究，无法做到多功能、多变量可控，无法系统的研究浅层地温的相关问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的是要提供一种水热耦合模型实验装置，适用于针对浅层地温能研究的室内模拟实验，可以模拟多种典型的野外情况。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0006] 本发明提供了一种水热耦合模型实验装置，用于土中水热耦合模型实验，所述的土为自然界中各种粒径的尚未固结成岩的松散堆积物，水热耦合模型实验装置包括主体部、加热供水机组，

[0007] 主体部包括箱体、可开闭的箱盖，箱体的内部可抽出地设置有滤板组合，滤板组合包括至少两块滤板，至少两块滤板将箱体的内部分隔为依次排列的至少三个区域，至少三个区域中至少两个为内部分别设置有供水管组的第一区域且至少一个为内部设置有与终端设备相连接的多个检测装置的第二区域箱体的相对的两侧壁上分别开设有进水口和出水口，进水口和出水口的位置对应第一区域，每个第一区域对应的进水口和出水口均有多个，供水管组与其所在第一区域所对应的至少一个进水口相连接；

[0008] 加热供水机组的数目与第一区域数量相同，且对应地与各第一区域所在位置的进水口和出水口相连接，每个加热供水机组包括水箱、水泵。

[0009] 在进行实验时，根据不同类型的实验需要，在相应的区域内填充铺设相应的土体、滤料，通常第二区域设置在两个第一区域之间，第一区域为含水层，不同的含水层与相应的加热供水机组之间构成相对封闭的水循环，加热供水机组对两个含水层提供不同温度和压力的水体，通过检测装置来检测第二区域内的实验对象，模拟不同降水入渗条件、地表水及地下水径流、土体性质及不同地表覆盖条件影响下浅层地表热传导过程，尽可能的模拟实际野外情况。

[0010] 进一步地，箱体的外侧设置在外框架，箱盖能够上下移动地设置在外框架上。

[0011] 进一步地，箱盖上固定连接有螺杆，螺杆与外框架之间通过螺纹上下移动地连接，螺杆的顶端具有用于对其进行操作使螺杆转动的操作盘。在另一种实施方案中，通过电动装置自动控制箱盖的开启和闭合，具体地可以是，将电机通过传动机构与螺杆相连接，通过电机带动螺杆转动，而达到升降箱盖的目的，或者另设置电动升降机构来控制箱盖的升降。

[0012] 进一步地，外框架的底部设置有轮子，便于将箱盖移开，以方便在进行实验准备工作时，对箱体的内部进行布置。

[0013] 进一步地，箱盖上具有用于供检测装置与终端设备之间的连接线通过的出口部，该出口部包括与箱盖相连接的连接框、与连接框相连接的板体，板体上开设有多个通孔，连接线从通孔穿出。从而，既能够走线，又能够保证箱体的密封性。

[0014] 进一步地，箱体的内壁开设有连接槽，滤板通过连接槽与箱体可脱离地相连接，从而便于滤板的连接和取出。

[0015] 进一步地，滤板包括支撑框架、连接在支撑框架上的两层滤网、填设在两层滤网之间的过滤材料，该过滤材料能够透水，其主要功能在于保证相邻区域之间透水的前提下，防止土体随水在不同层内运移。过滤材料优选为防尘棉。

[0016] 进一步地，供水管组包括第一水管、与第一水管相连通的多根第二水管，第二水管上开设有多个出水孔，且第二水管与第一水管垂直设置，第一水管与其所在第一区域所对应的至少一个进水口相连接。采用该结构设计的供水管组能够使水在第一区域内均匀地发散。

[0017] 更进一步地，每个第一区域对应的进水口和出水口均有多个，在实验时，可以根据不同的需求，在相应的第一区域，选择连接不同位置和数量的进水口及出水口。

[0018] 进一步地，滤板和供水管组均有至少两种尺寸规格，一种尺寸规格的滤板组合和供水管组用于将箱体的内部分隔为上下排列的多个区域，另一种尺寸规格的滤板组合和供水管组用于将箱体的内部分隔为水平排列的多个区域。从而根据不同的实验需求，来设定如何排布多个区域。

[0019] 进一步地，加热供水机组还包括对水箱内的水加热的加热器、控制调节加热温度的电控柜。

[0020] 进一步地，水箱与水泵之间设置有闸阀、止回阀，便于对供水和抽水进行控制。

[0021] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

[0022] 1、在相应第一区域中分别设置供水管组，通过连接不同的进水口和出水口可以控制含水层中水体的渗流方向和渗流速度，从而可以模拟不同的水流状态（自然渗流、抽水等）；

[0023] 2、相应第一区域分别连接不同的加热供水机组，各自形成相对封闭水循环，可以设置水体不同的压力和温度，且基本维持稳定；

[0024] 3、实现了模块化，通过滤板组合，可以很方便的设置出不同层的土体。此外还可以利用滤板组合将地表与地下土层分隔开来，即控制地面覆盖层的影响（将模型箱顶层设置为裸土、草地、透水砖、水泥等不同覆盖层，从而进行不同温度、降雨条件下的热扩散和水渗流研究）。

附图说明

[0025] 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

[0026] 图1是本发明中水热耦合模型实验装置的一个实施例的结构示意图，该图中，为了使整体结构表达清晰而省略了部分细节，所省略的细节部分在图2-6示出；

[0027] 图2是图1所示实施例中主体部的主视结构示意图；

[0028] 图3是图1所示实施例中主体部的俯视结构示意图；

[0029] 图4是图1所示实施例中箱盖上出口部的结构示意图；

[0030] 图5是图1所示实施例中供水管组的结构示意图；

[0031] 图6是图1所示实施例中加热供水机组的结构示意图；

[0032] 图7是图1所示实施例中第二区域内设置检测装置的结构示意图。

[0033] 其中，附图标记说明如下：

[0034] 1、主体部；

[0035] 11、箱体；111、第一区域；112、第二区域；113、进水口；114、出水口；12、箱盖； 13、滤板；14、供水管组；141、第一水管；142、第二水管；15、检测装置；16、外框架；161、螺杆；162、操作盘；17、轮子；18、出口部；181、连接框；182、板体；1821、通孔；

[0036] 2、加热供水机组；21、水箱；22、水泵；23、加热器；24、电控柜；25、闸阀；26、止回阀。

具体实施方式

[0037] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0039] 参考附图1至附图7，本实施例中的水热耦合模型实验装置，用于土中水热耦合模型实验，所述的土为自然界中各种粒径的尚未固结成岩的松散堆积物。水热耦合模型实验装置包括主体部1、加热供水机组2。

[0040] 主体部1包括箱体11、可开闭的箱盖12，箱体11的内部可抽出地设置有滤板组合，滤板组合包括至少两块滤板13，至少两块滤板13将箱体11的内部分隔为依次排列的至少三个区域，至少三个区域中至少两个为内部分别设置有供水管组14的第一区域111且至少一个为内部设置有与终端设备相连接的多个检测装置15的第二区域112，箱体11的相对的两侧壁上分别开设有进水口113和出水口114，进水口113和出水口114的位置对应第一区域111，每个第一区域111对应的进水口113和出水口114均有多个，供水管组14与其所在第一区域111所对应的至少一个进水口113相连接。

[0041] 为了更逼真地模拟实际野外情况，所以箱体11不宜过小，本实施例给出了一种尺寸为3m×1.5m×1.5m，因此为了能够方便地开关箱盖12，在一种更为优选的实施方案中，如附图2和附图3所示，箱体11的外侧设置在外框架16，箱盖12能够上下移动地设置在外框架16上，具体地，箱盖12上固定连接有螺杆161，螺杆161与外框架16之间通过螺纹上下移动地连接，本实施例中升降箱盖采用手动操作的模式，具体为在螺杆161的顶端设置用于对其进行操作使螺杆161转动的操作盘162，通过转动螺杆161实现箱盖12的升降，从而打开或关闭箱盖12，在箱盖12关闭后，可通过螺丝将箱盖12与箱体11之间进一步固定和密封。在另一种实施方案中，采用电动装置自动控制箱盖的开启和闭合，具体地可以是，将电机通过传动机构与螺杆相连接，通过电机带动螺杆转动，而达到升降箱盖的目的，或者另设置电动升降机构来控制箱盖的升降。更为优选地，外框架16的底部设置有轮子17，方便移走外框架16，从而将箱盖12移开，以方便在进行实验准备工作时，对箱体11的内部进行布置。

[0042] 本实施例中，箱体11的底部采用钢板，侧边可采用有机玻璃，箱盖12上可以安装把手（附图中未画出）。需要说明的是，图中所示的外框架16结构仅为示意结构，在实际应用中可以根据具体情况来设计，

[0043] 在一种更为优先的实施方案中，箱盖12上具有用于供检测装置15与终端设备之间的连接线通过的出口部18。如附图4所示，该出口部18包括与箱盖12相连接的连接框181、与连接框181相连接的板体182，板体182上开设有多个通孔1821，连接线从通孔1821穿出。从而，既能够走线，又能够保证箱体11的密封性。

[0044] 检测装置15可根据实际实验要求进行设置，附图7仅给出了一种示例，包括碳纤维光缆温度测棒、高强分布式测棒、金属毛细管光纤光栅温度计、PT-100温度计、OFDR直埋式光缆。其固定方式采用组合木板，热熔胶通过卡位、粘接固定。

[0045] 为了方便滤板13的连接定位和取出，箱体11的内壁开设有连接槽（附图中未画出），滤板13通过连接槽与箱体11可脱离地相连接。

[0046] 本实施例中给出了一种滤板13的具体结构（附图中未画出），包括支撑框架、连接在支撑框架上的两层滤网、填设在两层滤网之间的过滤材料，该过滤材料能够透水，其主要功能在于保证相邻区域之间透水的前提下，防止土体随水在不同层内运移。过滤材料优选为防尘棉。

[0047] 如附图5所示，本实施例中的供水管组14包括与进水口113相连接的第一水管141、与第一水管141相连通的多根第二水管142。第二水管142上开设有多个出水孔（附图中未画出），出水孔的方向均匀分布且都朝向箱外。第二水管142与第一水管141垂直设置，二者之间可采用螺纹连接。采用该结构设计的供水管组14能够使水在第一区域111内均匀地发散。第一水管141和第二水管142均采用PVC管。

[0048] 优选地，每个第一区域111对应的进水口113和出水口114均有多个，在实验时，可以根据不同的需求，在相应的第一区域113，选择连接使用不同位置和数量的进水口113及出水口114（与加热供水机组2相连接），相应地上述的第一水管141与其所在第一区域111所对应使用的进水口113相连接，需要说明的是，第一水管141上开设多个与进水口113数量和位置相对应的连接孔，不使用的连接孔则用盖住或堵住。

[0049] 在一种更为优选地的实施方案中，滤板13和供水管组14均有至少两种尺寸规格，两种的连接结构设置基本相同。一种尺寸规格的滤板13和供水管组14用于将箱体11的内部分隔为上下排列的多个区域，另一种尺寸规格的滤板13和供水管组14用于将箱体11的内部分隔为水平排列的多个区域。从而根据不同的实验需求，来设定如何排布多个区域。附图1中所示出的为上下排列的情况。

[0050] 加热供水机组2的数目与第一区域111数量相同，且对应地与各第一区域111所在位置的进水口113和出水口114相连接，每个加热供水机组2包括水箱21、水泵22、对水箱21内的水加热的加热器23、控制调节加热温度的电控柜24。水箱21与水泵22之间采用软管连接，且水箱21与水泵22之间设置有闸阀25、止回阀26，便于对供水和抽水进行控制。每个加热供水机组2有两台水泵22，一台注水，一台抽水，分别连接进水口113和出水口114。加热器23能够将水温加热到60℃左右，通过电控柜24的控制能够使水温保持恒温。

[0051] 工作原理：

[0052] 在进行实验时，根据不同类型的实验需要，在相应的区域内填充铺设相应的土体、滤料，通常第二区域14设置在两个第一区域13之间，第一区域13为含水层，不同的含水层与相应的加热供水机组2之间构成相对封闭的水循环，加热供水机组2对两个含水层提供不同温度和压力的水体，通过检测装置15来检测第二区域14内的实验对象，模拟不同降水入渗条件、地表水及地下水径流、土体性质及不同地表覆盖条件影响下浅层地表热传导过程，尽可能的模拟实际野外情况。

[0053] 本水热耦合模型实验装置，在相应第一区域中分别设置供水管组，通过连接不同的进水口和出水口可以控制含水层中水体的渗流方向和渗流速度，从而可以模拟不同的水流状态；相应第一区域分别连接不同的加热供水机组，各自形成相对封闭水循环，可以设置水体不同的压力和温度，且基本维持稳定；实现了模块化，通过滤板组合，可以很方便的设置出不同层的土体。此外还可以利用滤板组合将地表与地下土层分隔开来，即控制地面覆盖层的影响。

[0054] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。