【技术实现步骤摘要】
本申请涉及渗流传热实验，例如涉及一种低温环境下岩体裂隙传热特性测试方法及装置。
技术介绍
1、压缩气体(天然气、氢气、二氧化碳等)地下存储在保障国家能源安全和实现“双碳”战略等方面具有广阔的应用前景。为增大存储效率，工程中常将气体压缩冷却至液态，但以上气体的沸点非常低，所以储库的支护密封材料和围岩被暴露在低温环境中。围岩中的地下水在低温的作用下将在储库周围冻结形成“冻结圈”，进而对液化气体地下储库的支护密封作用产生影响。因此，精准测量岩体裂隙与地下水在低温环境下的传热特性对于预测和调控“冻结圈”的形状与规模具有重要意义，这也进一步影响了压缩气体存储的安全性与经济性。但目前鲜有针对低温岩体裂隙传热特性进行测试的装置及方法，这严重限制了地下压缩气体储库等相关工程的持续发展。本专利技术旨在通过自动化监测系统和云端大数据分析实现储库围岩冰冻圈的实时监测和发展预测，为储库的高效安全运行提供支撑。
2、申请号为202010139853.9中国专利专利技术专利，公开了一种可考虑对流传热作用的低温裂隙岩体传热试验系统及方法，通过温控系统或总控系统提供试验所需温度，通过水箱控制器或总控系统对绝热试验箱内的裂隙岩样进行供水，通过绝热试验箱内的压力传感器、未冻水含量传感器和所有温度传感器采集实时数据，通过总控系统进行数据分析得到最终结果。
3、相关技术设置了供水系统，在低温裂隙岩体传热试验时考虑到对流传热和冰-水相变作用，能测量低温裂隙岩体的传热性能，但该系统中的温度传感器仅仅采集绝热试样箱的温度，并没有精确识别到裂隙岩样内外
技术实现思路
1、为了对披露的实施例的一些方面有基本的理解，下面给出了简单的概括。所述概括不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围，而是作为后面的详细说明的序言。
2、本公开实施例提供了低温环境下岩体裂隙传热特性测试方法及装置，能够多方面采集测试装置内的温度变化，更加精准地分析低温环境下岩体裂隙传热特性。
3、在一些实施例中，公开了一种低温环境下岩体裂隙传热特性测试方法，应用于能够识别入口水温、出口水温和岩石外表面温度的低温环境下岩体裂隙的测试系统，所述方法包括：
4、基于水的热交换过程，建立水热交换模型公式；
5、基于岩体的热交换过程，建立岩体热传导模型公式；
6、基于冰的热交换过程，建立冰热传导模型公式；
7、将识别到的入口水温、出口水温和岩石外表面温度来计算岩样裂隙表面温度；
8、利用岩样裂隙表面温度，并结合水热交换模型公式、岩体热传导模型公式和冰热传导模型公式，来实时分析出在冰水混合温度状态下的岩体裂隙的传热特性，其中，所述冰水混合温度在水初始冻结温度和水完全冻结温度之间。
9、优选的，所述方法基于水的热交换过程，建立水热交换模型公式，包括：
10、通过压力传感器来获取出口压力p1和入口压力p2，计算出水力坡降j；
11、通过温度流量控制器来获取流量q；
12、根据渗流立方定律式(1)和达西定律式(2)，推导出冰和水的热交换过程，不考虑热扩散得到式(3)，
13、
14、其中，μ为水的运动粘滞系数；j为水力坡降；d为裂隙开度；q为通过裂隙的流量；
15、v＝-kj (2)
16、其中，k为目标测试岩样渗透率，j为水力坡降；
17、
18、其中，v为水的流速；h为对流换热系数；ρf为液体的密度；cf为液体的比热容；d为裂隙开度，tf(x)为水的温度随x轴的变化，ti(x,z)为冰的温度随x轴z轴的变化，x轴为岩样轴线方向，z轴为竖直方向。
19、优选的，基于岩体的热交换过程，建立岩体热传导模型公式，包括：
20、岩样的一维热传导方程式：
21、
22、其中，tr(z)为岩样的温度随z轴的变化。
23、优选的，基于岩体的热交换过程，建立岩体热传导模型公式，包括：
24、冰的一维热传导方程式：
25、
26、其中，ti(z)为冰的温度随z轴的变化。
27、优选的，将识别到的入口水温、出口水温和岩石外表面温度来计算岩样裂隙表面温度，包括：
28、获取入口水温tin、为出口水温tout和岩石外表面温度tr；
29、岩样裂隙表面温度t0的计算方式，包括：
30、根据能量守恒定律，单位时间内通过上下两个裂隙面所传导的热量与水放出的热量相等，假设所有传感器每隔δt自动测量一次相关参数并传输到数据采集器中，结合傅里叶导热定律，可得以下数量关系：
31、
32、其中，cf为水的比热容，ρf为水的密度，δt为所有传感器记录监测数据的时间间隔，qi为监测时间为iδt时水的流量，和分别为监测时间为iδt时水的出入口温度，kr为目标测试岩样的热导率，为监测时间为iδt时的岩样裂隙表面温度，为监测时间为iδt时的岩石外表面温度，r为目标测试岩样半径，l为目标测试岩样的长度，de为圆柱形岩样单侧等效厚度，即将半径为r的圆形等效为面积相同、宽度为2r的矩形，有πr2＝4rde，则
33、解得的表达式为：
34、
35、求解时按照上式从至依次求解。
36、优选的，利用岩石外表面温度，并结合水热交换模型公式、岩体热传导模型公式和岩体和冰热传导模型公式，来实时分析出在冰水混合温度状态下的岩体裂隙的传热特性，包括：
37、边界条件：
38、
39、联立上述式(3)、式(4)、式(5)，进行积分可得：
40、
41、其中，ki为冰的热导率；kr为目标测试岩样的热导率；tin为入口水温；tout为出口水温；r为目标测试岩样半径；b为单侧冰的厚度，tr为岩石外表面温度；l为目标测试岩样的长度。
42、优选的，所述方法，还包括：
43、计算出到达稳态后的对流换热系数h，来分析出在水完全未结冰状态下的岩体裂隙的传热特性；
44、根据下式求得对流换热系数h，
45、
46、其中，ρf为水的密度；cf为水的比热容；q为水的流量；r为目标测试岩样半径；l为目标测试岩样长度；tin为入口水温；tout为出口水温；t0为岩样裂隙表面温度。
47、在一些实施例中，公开了一种低温环境下岩体裂隙传热特性测试装置，应用于上述方法，所述装置包括：保温箱系统、岩心夹持器、压力传感器、温度传感器组、供水系统、温度流量控制器、围压系统和控制台；保温箱系统，用于放置岩心夹持器，并为岩心夹持器提供低温环境；岩心夹持器，被设置在保温箱本体内；压力传感器，用于测量岩心夹持器的出口本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种低温环境下岩体裂隙传热特性测试方法，其特征在于，应用于能够识别入口水温、出口水温和岩石外表面温度的低温环境下岩体裂隙的测试系统，所述方法包括：
2.一种低温环境下岩体裂隙传热特性测试方法，其特征在于，所述方法基于水的热交换过程，建立水热交换模型公式，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于岩体的热交换过程，建立岩体热传导模型公式，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于岩体的热交换过程，建立岩体热传导模型公式，包括：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将识别到的入口水温、出口水温和岩石外表面温度来计算岩样裂隙表面温度，包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用岩石外表面温度，并结合水热交换模型公式、岩体热传导模型公式和岩体和冰热传导模型公式，来实时分析出在冰水混合温度状态下的岩体裂隙的传热特性，包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法，还包括：
8.一种低温环境下岩体裂隙传热特性测试装置，其特征在于，应用于如权利要求1至7中
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，保温箱系统包括保温箱本体、液氮装置和温度控制单元。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述岩心夹持器，包括：岩心夹持器本体和两个绝热导流装置；其中，两个绝热导流装置分别被设置在岩心夹持器本体内腔中的两侧；绝热导流装置的材料为绝热体，绝热导流装置设置有内空腔，用于穿过水流，绝热导流装置内空腔为锥形，锥形的角分别对接目标测试岩样的内腔和岩心夹持器本体的水流孔。
...【技术特征摘要】
1.一种低温环境下岩体裂隙传热特性测试方法，其特征在于，应用于能够识别入口水温、出口水温和岩石外表面温度的低温环境下岩体裂隙的测试系统，所述方法包括：
2.一种低温环境下岩体裂隙传热特性测试方法，其特征在于，所述方法基于水的热交换过程，建立水热交换模型公式，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于岩体的热交换过程，建立岩体热传导模型公式，包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，基于岩体的热交换过程，建立岩体热传导模型公式，包括：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将识别到的入口水温、出口水温和岩石外表面温度来计算岩样裂隙表面温度，包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，利用岩石外表面温度，并结合水热交换模型公式、岩体热传导模型公式和岩体和冰热传导模型公式，来实时分析出...
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。