一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置及方法。冷

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置及方法


[0001]本专利技术属于寒区岩土工程领域的一种冻融循环离心模拟装置及方法，具体涉及了一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置及方法。

技术介绍

[0002]全球二氧化碳和甲烷等温室气体的排放，促使全球气温不断上升，根据全球四大气候监测机构(美国国家航空航天局、美国国家海洋和大气管理局、伯克利地球研究小组和英国气象局)数据表明，1880年以来全球平均气温已上升1.2℃，而IPCC最新发布气候报告中指出截至2100年全球气温仍将上升1.7℃～4.8℃。全球气温持续升高，使得极端气候事件频率迅速上升，程度逐渐加深。在全球变暖的影响下，寒区冻土消融日益严重。目前全球已完成的冻土区线性工程中，已出现大量的工程病害问题，以我国青藏公路为例，通过2008～2017十年的现场检测发现极端气候改变下热融滑坡灾害438处，总受灾面积从130.6公顷增加到936.8公顷，大量的边坡失稳给公路安全营运带来巨大安全隐患。揭示气候变暖条件下寒区冻土热融滑塌发育机制，预测和防范这类风险，是川藏铁路等重大工程建设和安全运维亟需解决的关键问题之一。
[0003]上述极端气候变化诱发冻土热融滑塌问题，为典型的“大尺度”“长历时”问题。超重力离心模拟试验，具有缩时缩尺的特点，是目前解决此类问题最有效的研究手段之一。超重力离心模拟试验设计的核心在于关键物理过程的重现。针对冻融循环问题，在超重力环境下复现真实土与大气界面周期性温度变化过程，是亟需解决的技术难题之一。一个温度循环过程可以简化为降温和升温2个阶段。
[0004]对于降温阶段，目前常重力下的实现手段包括蒸汽制冷、液氮制冷、半导体及涡流管制冷等多种方案。其中在常重力场中蒸汽制冷效率最高，应用也较为广泛，其原理是利用低沸点的液态制冷剂在不同压力下气化吸热产生冷量以实现制冷。而蒸汽制冷机结构复杂、能动部件多，难以在超重力环境下直接使用，若冷量在地面制备，低温气流通过旋转接头又会影响离心机主机的安全稳定运行。液氮制冷需要将液氮贮槽安装在离心机主轴处的安装平台，因此贮槽的容积受限，无法长时间制冷；同时液氮具有一定的危险性，安全风险高。半导体制冷是目前已应用于超重力离心试验的一种方法，国家知识产权局公开专利CNl04142356A和CN10934286A，专利公开了一种利用半导体元件的土工离心机冻融模拟系统，可在50g超重力场下模拟输水渠道冻胀
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融沉过程。但半导体制冷能耗高，随超重力g值增加，能耗需求呈指数式上升，同时长期制冷过程中半导体元件表面会凝露结冰造成元件损坏。因此半导体制冷方法在高g值超重力场冻融循环边坡模型试验中存在较大局限性。涡流管制冷，利用分离压缩空气产生的冷流直接进行制冷，具有结构简单无能动部件、调温效率高能耗低等优点，国外已有学者将其成功应用到超重力离心模拟试验降温过程的模拟中。
[0005]对于升温阶段，目前超重力下的实现手段主要包括半导体制热及电加热器制热等两种方法。其实现原理均是将电能转化为热能，电加热器制热可以有效解决半导体制冷制
热效率不足的问题，但加热器内部容易引起结焦、变质、碳化，严重时导致发热元件损坏，长期使用维护成本高。
[0006]对于温度循环过程，相关学者虽然采用了低能耗的涡流管模拟降温阶段，但升温阶段仍采用电加热器模拟，涡流管与电加热的组合结构复杂，既需要压缩空气组件的支撑，又需要额外的电能供应设备，能耗高，操作复杂。因此目前亟需一种结构简单、安全性高、调温速率快、耗能低的方法来解决上述问题。涡流管具有冷
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热分流的特点，压缩气流通过在涡流管内高速旋转，在元件两端产生冷
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热两股气流，配合相关的导流组件，为超重力环境下同时实现低能耗制冷
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制热提供了可能性。

技术实现思路

[0007]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基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置及方法。本专利技术能更好的发挥超重力缩尺、缩时效应，是一种安全性高、制冷
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制热速率快、耗能低的方法。
[0008]为实现所述技术目的，本专利技术技术方案如下：
[0009]一、一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置：
[0010]包括冷
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热流分离设备、压缩空气模块、模型箱、温度传感器和可编程控制器，冷
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热流分离设备外接有压缩空气模块，若干个冷
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热流分离设备安装在模型箱的顶盖上，冷
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热流分离设备和温度传感器分别与可编程控制器电连接；
[0011]模型箱内部制备边坡模型。
[0012]所述的冷
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热流分离设备包括涡流管元件、冷端三通阀门、冷端流量控制阀、热端三通阀门、热端流量控制阀和速度调节阀，涡流管元件的压缩气体进口外接提供压缩气体的压缩空气模块，涡流管元件的涡流管冷端通过管道与冷端三通阀门进口相连，冷端三通阀门的冷端排气口连通外界大气，冷端三通阀门出口经管道和冷端进气口相连，从冷端三通阀门出口到冷端进气口的管道上设置有冷端流量控制阀和速度调节阀，冷端进气口伸入连通到模型箱顶部的一侧；
[0013]涡流管元件的涡流管冷热端通过管道与热端三通阀门进口相连，热端三通阀门的热端排气口连通外界大气，热端三通阀门出口经管道和热端进气口相连，从热端三通阀门出口到热端进气口的管道上设置有热端流量控制阀和速度调节阀，热端进气口伸入连通到模型箱顶部的另一侧。
[0014]所述边坡模型的内部埋设有温度传感器、水分传感器和张力计，边坡模型的上方设置有激光位移计。
[0015]所述的冷端三通阀门、冷端流量控制阀、热端三通阀门、热端流量控制阀、速度调节阀、激光位移计、温度传感器、水分传感器、张力计的电输入端均与可编程控制器的电输出端连接。
[0016]所述模型箱周围的侧壁上设置有观察视窗，模型箱内侧壁附有保温隔热层；
[0017]观察视窗采用有机玻璃材料，除观察视窗外的模型箱采用不锈钢材料。
[0018]二、一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置的试验方法，包括以下步骤：
[0019]步骤1、将选配好的试验土体按预设的参数要求，在模型箱中分层击实以形成边坡模型，在试验土体分层击实过程中，在距边坡模型表面不同深度的斜面上均埋设温度传感
器、水分传感器和张力计，通过固定件将激光位移计安装在边坡模型的上方，固定安装模型箱的顶盖，然后将冷
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热流分离设备安装在模型箱的顶盖上，使得冷
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热流分离设备的冷端进气口和热端进气口分别伸入连通到模型箱顶部的两侧；
[0020]步骤2、完成步骤1后，将涡流管元件的压缩气体进口与提供压缩气体的压缩空气模块相连通，将冷端三通阀门、冷端流量控制阀、热端三通阀门、热端流量控制阀、速度调节阀、激光位移计、温度传感器、水分传感器、张力计的电输入端与可编程控制器的电输出端相连，同时在可编程控制器中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置，其特征在于：包括冷
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热流分离设备、压缩空气模块、模型箱(2)、温度传感器(18)和可编程控制器，冷
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热流分离设备外接有压缩空气模块，若干个冷
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热流分离设备安装在模型箱(2)的顶盖上，冷
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热流分离设备和温度传感器(18)分别与可编程控制器电连接；模型箱(2)内部制备有边坡模型(1)。2.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置，其特征在于：所述的冷
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热流分离设备包括涡流管元件(4)、冷端三通阀门(6)、冷端流量控制阀(9)、热端三通阀门(11)、热端流量控制阀(14)和速度调节阀，涡流管元件(4)的压缩气体进口(3)外接提供压缩气体的压缩空气模块，涡流管元件(4)的涡流管冷端(5)通过管道与冷端三通阀门(6)进口相连，冷端三通阀门(6)的冷端排气口(8)连通外界大气，冷端三通阀门(6)出口经管道和冷端进气口(15)相连，从冷端三通阀门(6)出口到冷端进气口(15)的管道上设置有冷端流量控制阀(9)和速度调节阀，冷端进气口(15)伸入连通到模型箱(2)顶部的一侧；涡流管元件(4)的涡流管冷热端(10)通过管道与热端三通阀门(11)进口相连，热端三通阀门(11)的热端排气口(13)连通外界大气，热端三通阀门(11)出口经管道和热端进气口(16)相连，从热端三通阀门(11)出口到热端进气口(16)的管道上设置有热端流量控制阀(14)和速度调节阀，热端进气口(16)伸入连通到模型箱(2)顶部的另一侧。3.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置，其特征在于：所述边坡模型(1)的内部埋设有温度传感器(18)、水分传感器(19)和张力计(20)，边坡模型(1)的上方设置有激光位移计(17)。4.根据权利要求3所述的一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置，其特征在于：所述的冷端三通阀门(6)、冷端流量控制阀(9)、热端三通阀门(11)、热端流量控制阀(14)、速度调节阀、激光位移计(17)、温度传感器(18)、水分传感器(19)、张力计(20)的电输入端均与可编程控制器的电输出端连接。5.根据权利要求1所述的一种基于涡流管的低能耗冻融循环离心模拟装置，其特征在于：所述模型箱(2)周围的侧壁上设置有观察视窗，模型箱(2)内侧壁附有保温隔热层；观察视窗采用有机玻璃材料，除观察视窗外的模型箱(2)采用不锈钢材料。6.一种应用于权利要求1
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5任一所述装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将选配好的试验土体按预设的参数要求，在模型箱(2)中分层击实以形成边坡模型(1)，在试验土体分层击实过程中，在距边坡模型(1)表面不同深度的斜面上均埋设温度传感器(18)、水分传感器(19)和张力计(20)，通过固定件将激光位移计(17)安装在边坡模型(1)的上方，固定安装模型箱(2)的顶盖，然后将冷
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热流分离设备安装在模型箱(2)的顶盖上，使得冷
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热流分离设备的冷端进气口(15)和热端进气口(16)分别伸入连通到模型箱(2)顶部的两侧；步骤2、完成步骤1后，将涡流管元件(4)的压缩气体进口(3)与提供压缩气体的压缩空
气模块相连通，将冷端三通阀门(6)、冷端流量控制阀(9)、热端三通阀门(11)、热端流量控制阀(14)、速度调节阀、激光位移计(17)、温度传感器(18)、水分传感器(19)、张力计(20)的电输入端与可编程控制器的电输出端相连，同时在可编程控制器中预设温度变化曲线和冷/热气流的流速；步骤3、装置组装完成后，将整个装置安装在离心机吊篮内，然后启动离心机，当离心机的重力值达到预设的100g且离心机在100g超重力下运行稳定时，将压缩空气模块产生的干燥压缩气体通过压缩气体进口(3)输送至涡流管元件(4)中，涡流管元件(4)将压缩气体分离成冷气流和热气流，冷气流和热气流...

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