本發(fā)明涉及一種多尺度熱量運移同步監(jiān)測試驗系統(tǒng)和試驗方法，系統(tǒng)可以通過瞬時導(dǎo)流、恒溫控制、側(cè)向真空絕熱、溫度自動采集等功能同步開展多孔介質(zhì)不同粒徑、空間尺度的半無限大一維對流彌散試驗；通過正交試驗設(shè)計，篩選出不同熱源邊界、滲流速度、顆粒直徑、空間位置等要素組合試驗，通過熱彌散系數(shù)解析理論推導(dǎo)結(jié)合試驗反演計算提出熱彌散尺度效應(yīng)的試驗方法。

背景技術(shù)：

在多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)研究領(lǐng)域，熱彌散的研究尤其是尺度效應(yīng)規(guī)律的揭示一直是該領(lǐng)域的熱點與難點問題，半無限大含水層一維對流彌散物理模型試驗是揭示熱彌散尺度效應(yīng)最直接且有效的手段之一。

開展該物理模型試驗條件苛刻，涉及到流體定濃度、定溫度、定壓力等瞬時恒定邊界控制，特別對于多組對照試驗，需要同時滿足相同的瞬時恒定邊界，單純恒定邊界條件控制并非難點，但滿足此類恒定邊界條件需要時間控制過程，如何實現(xiàn)流體與試驗介質(zhì)的瞬時導(dǎo)流銜接成為關(guān)鍵，邊界條件無法精確控制將會造成模型試驗的邊界誤差。同時，滿足半無限大含水層一維對流彌散的試驗條件，要求側(cè)向空間無溫度傳遞，即滿足絕熱邊界條件，另外，溫度場的時空監(jiān)測要求布置多測點同步監(jiān)測，然而，真空絕熱邊界條件的控制可以容易實現(xiàn)，但同時需要滿足真空柱側(cè)向傳感器可拆卸布置，且達(dá)到水、氣分離密封成為模型設(shè)計的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：解決半無限大含水層一維對流彌散試驗邊界條件控制問題，模擬不同粒徑、結(jié)構(gòu)含水層以及實現(xiàn)多組對照試驗同步開展，滿足不同時空尺度溫度自動監(jiān)測與溫度傳感器可拆卸等問題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案：

一種多尺度熱量運移同步監(jiān)測試驗系統(tǒng)，包括試驗砂柱組件、流路總成和傳感單元；

試驗砂柱為多孔的滲透柱，所述試驗砂柱組件連接在流路總成的試驗流路上，試驗砂柱上陣列設(shè)置有傳感單元的傳感器陣列，傳感器陣列連接在傳感單元的數(shù)據(jù)接收處理模塊上，所述流路總成包括一個恒溫水箱，試驗砂柱組件包括若干呈對照陣列布置的試驗砂柱，試驗砂柱包括一個隔熱外殼，各試驗砂柱的隔熱外殼的頂端通過瞬時導(dǎo)流裝置連接到恒溫水箱上進(jìn)行供流，隔熱外殼的底部連接到流路總成的流量獲取機(jī)構(gòu)上進(jìn)行排流，在試驗砂柱的隔熱外殼內(nèi)填充有供流體流動的多孔流動介質(zhì)；

所述傳感器陣列包括陣列設(shè)置試驗砂柱內(nèi)的溫度傳感器，溫度傳感器的陣列軸線與試驗砂柱的縱向軸線平行，所述溫度傳感器探頭伸入到多孔流動介質(zhì)中，溫度傳感器的數(shù)據(jù)輸出端連接到溫度自動采集系統(tǒng)上；

在所述試驗砂柱軸向兩端上還設(shè)置有測壓機(jī)構(gòu)，通過測壓機(jī)構(gòu)或者試驗砂柱軸向兩端之間的壓力差；

所述瞬時導(dǎo)流裝置包括若干設(shè)置在恒溫水箱底部的與試驗砂柱對應(yīng)的導(dǎo)流閥，所述導(dǎo)流閥的驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過一個同步機(jī)構(gòu)實現(xiàn)各導(dǎo)流閥同步的打開或關(guān)閉。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述恒溫水箱還包括恒溫加熱棒、溫度感應(yīng)器，所述加熱棒和溫度感應(yīng)器之間通過恒溫控制器連接，在所述恒溫水箱內(nèi)還設(shè)置有流體混合機(jī)構(gòu)，所述流體混合機(jī)構(gòu)包括一個流體驅(qū)動機(jī)構(gòu)，通過流體驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動流體在恒溫水箱內(nèi)流動。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述流體混驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括一個水泵，通過水泵的驅(qū)動，將位于恒溫水箱兩側(cè)的加熱棒附近的流體輸送到恒溫水箱的中部。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述隔熱外殼包括一個圓柱內(nèi)管和一個圓柱外管，圓柱內(nèi)管和圓柱外管之間設(shè)置有環(huán)形的真空區(qū)，隔熱空腔的軸向兩端通過環(huán)形隔板封堵；在隔熱外殼上陣列設(shè)置有若干傳感器基座，所述傳感器基座包括一個貫穿圓柱內(nèi)管和圓柱外管的傳感器固定套，傳感器固定套的外壁與圓柱內(nèi)管、圓柱外管之間密封連接，傳感器通過傳感器固定套插入到試驗砂柱中部。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述導(dǎo)流閥包括一個用于驅(qū)動閥塞的閥桿，所述同步機(jī)構(gòu)包括一個連接各閥桿的滑杠，在滑杠上設(shè)置有臺階狀的驅(qū)動導(dǎo)槽和直線狀的引導(dǎo)槽，在恒溫水箱內(nèi)固定有若干定位滑塊，所述定位滑塊可沿驅(qū)動導(dǎo) 槽滑動，在所述閥桿上設(shè)置有一個驅(qū)動滑塊，所述驅(qū)動滑塊可沿引導(dǎo)槽滑動，通過驅(qū)動滑杠的左右移動，使得滑杠在驅(qū)動導(dǎo)槽的驅(qū)動下發(fā)生上下移動，帶動閥桿上下移動。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述導(dǎo)流閥包括一個穿透恒溫水箱底板的閥座，在所述閥座的底部設(shè)置有一個連接組件，所述連接組件包括一個套接在閥座外的連接套，連接套與閥套活動連接，在連接套的一端設(shè)置有與試驗砂柱頂部對應(yīng)的密封端面，在密封端面上設(shè)置有密封環(huán)，在密封端面與試驗砂柱頂部密封連接時，過流孔道與試驗砂柱之間導(dǎo)通，所述活動連接為螺紋連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述恒溫水箱還包括一個溢流箱，所述溢流箱和恒溫水箱之間通過一個溢流槽進(jìn)行溢流，溢流槽內(nèi)設(shè)有一個溢流擋板，通過溢流擋板的滑動控制溢流槽的高度，從而控制恒溫水箱的水位高度。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述各試驗砂柱內(nèi)填充有直徑各不相同的玻璃微珠。

一種多尺度熱量運移同步監(jiān)測試驗系統(tǒng)試驗方法，其特征是：包括如下幾個步驟：

步驟1：設(shè)置若干個均質(zhì)試驗砂柱、非均質(zhì)試驗砂柱和對照砂柱：在各均質(zhì)試驗砂柱中分別從頂至底依次填充入玻璃微珠、濾網(wǎng)層和卵石層，所述玻璃微珠的填充厚度與卵石層厚度之間的比例為5：1，卵石層填充厚度與濾網(wǎng)層填充厚度之間的比例為10：1，各均質(zhì)試驗砂柱中玻璃微珠自右向左充填粒徑依次遞減，溫度傳感器的布置間距為10cm；在非均質(zhì)試驗砂柱中按粒徑依次充填混合砂層、濾網(wǎng)層和卵石層，所述混合砂按照前述各均質(zhì)試驗砂柱中的玻璃微珠，從非均質(zhì)試驗砂柱的頂部到頂部方向分層設(shè)置，粒徑依次遞增，混合砂的每層玻璃微珠的填充厚度為5cm，4種粒徑的比例為1:1:1:1，所述混合砂的填充厚度與卵石層厚度之間的比例為5：1，卵石層填充厚度與濾網(wǎng)層填充厚度之間的比例為10:1,在非均質(zhì)試驗砂柱中溫度傳感器的布置間距10cm；所述對照砂柱內(nèi)從頂至底依次填充有標(biāo)準(zhǔn)砂層、濾網(wǎng)層和卵石層，標(biāo)準(zhǔn)砂層與卵石層的填充厚度比例為5:1，卵石層填充厚度與濾網(wǎng)層填充厚度之間的比例為10：1。在試驗砂柱的排水口處設(shè)置稱重機(jī)構(gòu)，對排出的流體量進(jìn)行稱重。

步驟2：試驗組參數(shù)確定：選取水溫參數(shù)，以5℃為水溫梯度，選取3組水溫：35℃、40℃、45℃作為砂柱上邊界試驗溫度，即恒溫水箱的控制溫度；選取水位差參數(shù)，以20cm為水位梯度，選取3組水位：150cm、170cm、190cm對砂柱內(nèi)滲流速度進(jìn)行控制；

步驟3：具體熱傳導(dǎo)和對流彌散試驗，按照不同的水溫參數(shù)和水位參數(shù)設(shè)置試驗組；

熱傳導(dǎo)每組試驗包括如下，步驟A：調(diào)節(jié)水箱的水位，使得測壓機(jī)構(gòu)的水壓值符合每組試驗的參數(shù)要求；通過恒溫控制器和加熱棒對恒溫水箱內(nèi)的試驗流體進(jìn)行加熱直到溫度均衡恒定，使得水溫符合每組試驗的要求參數(shù)；步驟B：通過同步機(jī)構(gòu)打開各導(dǎo)流閥，并開始計時，使得恒溫水箱內(nèi)的流體與砂柱內(nèi)多孔介質(zhì)接觸，溫度通過熱傳導(dǎo)進(jìn)入到試驗砂柱內(nèi)，同時通過溫度傳感器進(jìn)行各試驗砂柱不同位置的溫度進(jìn)行采集，采集的頻率為1次/5s，記錄各砂柱不同測點處的溫度數(shù)據(jù)系列；

對流彌散每組試驗包括如下，步驟A：調(diào)節(jié)水箱的水位，使得測壓機(jī)構(gòu)的水壓值符合每組試驗的參數(shù)要求；通過恒溫控制器和加熱棒對恒溫水箱內(nèi)的試驗流體進(jìn)行加熱直到溫度均衡恒定，使得水溫符合每組試驗的要求參數(shù)；步驟B：通過同步機(jī)構(gòu)打開各導(dǎo)流閥，同時，打開對應(yīng)所有試驗砂柱的排水口閥門，使得恒溫水箱內(nèi)的流體在水位差的作用下進(jìn)入砂柱內(nèi)，通過溫度傳感器進(jìn)行各試驗砂柱不同位置的溫度進(jìn)行采集，采集的頻率為1次/5s，記錄各砂柱不同測點處的溫度數(shù)據(jù)系列；步驟C；試驗過程中記錄單位時間內(nèi)的流體重量，時段根據(jù)出流情況選擇3種頻率，記錄各砂柱排出的流體量為Tn，時間s；

步驟4：滲透系數(shù)、熱彌散系數(shù)等數(shù)據(jù)計算。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明通過一個可以瞬間打開、關(guān)閉的恒溫水箱機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對各個試驗砂柱中流體的統(tǒng)一控制，保證各個試驗砂柱中流體的時間、溫度等參數(shù)的一致性，提高試驗數(shù)據(jù)組的準(zhǔn)確度，本設(shè)備的結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的試驗砂柱結(jié)構(gòu)泛用度更為廣泛，可以適用于流體滲透試驗、溶質(zhì)運移試驗、熱量運移試驗等。

2、改進(jìn)性的通過支架實現(xiàn)對試驗砂柱的統(tǒng)一固定，其尺寸、傾角均可控且調(diào)節(jié) 方便，而且試驗砂柱之間互不干擾，不發(fā)生傳熱和傳質(zhì)，試驗過程更為穩(wěn)定，試驗數(shù)據(jù)對照性強，也更為準(zhǔn)確。

3、本發(fā)明在恒溫水箱內(nèi)加入恒溫加熱機(jī)構(gòu)，保證了水箱內(nèi)流體溫度的恒定，提高了試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，同時水箱上設(shè)置的流體循環(huán)驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以保證恒溫水箱內(nèi)流體溫度分布的均勻性，解決了水箱邊緣流體散熱過快，加熱器部位流體局部溫度過高和溫度的分層分布的問題；

本發(fā)明的試驗砂柱采用了真空的隔熱層結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)采用保溫材料包裹達(dá)不到絕熱邊界要求的缺點，避免了包裹不嚴(yán)密帶來的人為誤差，傳感器的固定方式對隔熱的影響也更低；水、氣分離密封結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)傳感器使用時的密封效果差、不可拆卸和更換困難等問題。

4、本發(fā)明采用了一個滑杠結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一開啟和關(guān)閉機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對閥門的控制，相比于采用電子閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一控制，本結(jié)構(gòu)的機(jī)械式驅(qū)動穩(wěn)定性更高，反應(yīng)更加直接，進(jìn)一步保證了試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

5、本發(fā)明設(shè)置在閥座上的連接組件可以方便的實現(xiàn)閥門水路和試驗砂柱的分離，從而方便的實現(xiàn)對試驗砂柱的更換以及調(diào)整，此外本結(jié)構(gòu)也可以提高閥門清潔的方便性。

6、溢流箱可以方便的對水箱水位進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)對試驗砂柱頂部水壓的調(diào)節(jié)，簡單方便。

7、本發(fā)明采用的玻璃微珠圓度高，粒徑可控度高，而且不易受壓力、溫度、流體酸堿度等參數(shù)的影響，可以有效的降低試驗誤差。

8、本發(fā)明為半無限大含水層對流彌散試驗提供了精確控制的試驗系統(tǒng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)總成圖；

圖2是本發(fā)明水箱和試驗砂柱的組合示意圖；

圖3是水箱中同步機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是連桿式機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是電驅(qū)動式機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是試驗砂柱的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是熱運量運移模式圖；

圖8是熱擴(kuò)散率的試驗值與解析解對比曲線的對比曲線圖；

圖9是測定位置z1＝0.08m與z2＝0.18m的解析擬合曲線圖。

圖中：1、恒溫水箱；2、恒溫加熱棒；3、溢流水箱；3-1、溢流槽；4、支架；5、試驗砂柱；6、伸縮套；7-1、排水管；7-2、吸水管；7-3、水泵；8、同步機(jī)構(gòu)；8-1、滑杠；8-2、引導(dǎo)槽；8-3、驅(qū)動導(dǎo)槽；8-4、引導(dǎo)座；8-5、滑動座；8-6、閥桿；8-7、固定桿；8-8、滑槽；8-9、抽桿；8-10、手柄轉(zhuǎn)動座；8-11、驅(qū)動手柄；8-12、轉(zhuǎn)動盤；8-13、弧形槽；8-14、活塞；8-15、導(dǎo)向外殼；8-16、回位彈簧。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明是一種用于滲流、熱傳導(dǎo)、對流彌散的試驗裝置，其主要包括恒溫水箱、試驗砂柱陣列以及一系列的測試組件，其中恒溫水箱、試驗砂柱陣列均安裝于一個支架之上，其中恒溫水箱位于試驗砂柱的頂部，其之間通過若干瞬時導(dǎo)流閥連接；

如圖1，其中恒溫水箱為一個亞克力材料制成的透明水箱，導(dǎo)流閥位于透明水箱的底部，在恒溫水箱兩側(cè)上對稱設(shè)置有四個加熱棒，加熱棒通過一個恒溫控制裝置進(jìn)行供電從而產(chǎn)生熱量對透明水箱內(nèi)的水進(jìn)行恒溫加熱；同時為了保證恒溫水箱內(nèi)流體溫度的均勻性，在恒溫水箱內(nèi)還設(shè)置了流體驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其主要是通過一個設(shè)置在恒溫水箱中部的吸水管，同時在恒溫水箱兩側(cè)設(shè)置排水管，進(jìn)水管和排水管之間通過一個水泵連接，實現(xiàn)流體的不斷循環(huán)，混合加熱；

如圖1，在恒溫水箱的一側(cè)上還設(shè)置了一個溢流水箱，溢流水箱和恒溫水箱之間通過一個溢流板連接，溢流板上設(shè)置有一個溢流槽，在溢流槽內(nèi)固定有一個溢流擋板，溢流擋板可以沿溢流槽進(jìn)行滑動，通過溢流擋板頂部相對溢流槽的位置，就可以改變恒溫水箱的溢流高度，從而實現(xiàn)恒溫水箱底部水壓的調(diào)整；

導(dǎo)流閥包括一個閥座，閥座安裝于恒溫水箱的底部，閥座的頂部設(shè)置有一個環(huán)形 凸起，在閥座的外壁上螺紋連接有一個壓緊環(huán)，壓緊環(huán)與環(huán)形凸起配合將閥座夾緊于恒溫水箱的底板上，在閥座的中心位置設(shè)置有一個閥芯活動孔，在閥座的頂部加工了若干與閥芯活動孔連通的排水孔，在閥芯活動孔的頂部設(shè)有一個供閥桿滑動的滑動板，通過閥桿的滑動打開或者封閉閥芯活動孔實現(xiàn)對閥門的封閉，同時在閥座的底部側(cè)壁上還通過螺紋連接了一個伸縮套，在試驗砂柱的頂部設(shè)置有一個連接端口，通過伸縮套的移動，驅(qū)動伸縮套的活動端部壓緊在連接端口上，實現(xiàn)閥門與試驗砂柱的連通；

如圖3，而閥桿通過一個同步機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動，以保證各個試驗砂柱流體時間、溫度等參數(shù)的一致性；同步機(jī)構(gòu)包括一個滑杠，在滑杠上分別加工有驅(qū)動導(dǎo)槽和引導(dǎo)槽，其中引導(dǎo)槽的軸線為直線，而驅(qū)動導(dǎo)槽的軸線為臺階狀；在水箱底部上設(shè)置有一個引導(dǎo)座，在引導(dǎo)座上設(shè)置有一個滑塊A，滑塊A鑲嵌與驅(qū)動導(dǎo)槽內(nèi)；同時同步機(jī)構(gòu)還包括一個固定板，各個閥桿的端部固定在固定板上，在固定板上還設(shè)置有一個滑動座，滑動座上設(shè)置有一個滑塊B，滑塊B鑲嵌在引導(dǎo)槽內(nèi)，通過驅(qū)動滑杠，滑杠在引導(dǎo)槽的驅(qū)動下向右向上或是向左向上移動，通過滑杠帶動固定板上下移動，從而實現(xiàn)導(dǎo)流閥的統(tǒng)一打開或者關(guān)閉；

同時在水箱的側(cè)壁上安裝有一個滑動孔，在滑杠上加工有一個與閥桿軸線平行的滑槽，在滑動孔內(nèi)滑動連接了一個抽桿，抽桿的一端通過一個滑塊C與滑槽活動連接；

為了提高抽桿移動的便捷性，本發(fā)明也提出了兩種可行的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其中，如圖4，第一種為人工進(jìn)行驅(qū)動的連桿式機(jī)構(gòu)，其包括一個安裝于水箱外壁的手柄轉(zhuǎn)動座，在手柄轉(zhuǎn)動座上轉(zhuǎn)動連接了一個驅(qū)動手柄，在驅(qū)動手柄上設(shè)置有一個導(dǎo)槽，在抽桿的另一端設(shè)置了一個滑塊D，滑塊D鑲嵌于導(dǎo)槽內(nèi)且沿導(dǎo)槽滑動，通過拉動驅(qū)動手柄，即可實現(xiàn)抽桿的移動，同時導(dǎo)槽用于彌補驅(qū)動手柄轉(zhuǎn)動半徑與驅(qū)動手柄轉(zhuǎn)動軸心相對滑塊D位置的距離差。第二種為通過一個電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動的電驅(qū)動式結(jié)構(gòu)，電驅(qū)動式機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)與試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計器的聯(lián)動，進(jìn)一步提高試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

如圖5，電驅(qū)動式機(jī)構(gòu)包括一個步進(jìn)電機(jī)，在步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸上安裝了一個轉(zhuǎn)動盤，在轉(zhuǎn)動盤上加工有一個弧形槽，弧形槽的弧度小于90°，在弧形 槽內(nèi)鑲嵌有一個滑塊E；滑塊E上轉(zhuǎn)動連接有一個連桿A，連桿A通過一個回位機(jī)構(gòu)與抽桿活動連接，所述回位機(jī)構(gòu)包括一個導(dǎo)向外殼，在導(dǎo)向外殼的內(nèi)部滑動連接有個活塞，在導(dǎo)向外殼的軸向兩端各設(shè)有一個限位環(huán)，在活塞的兩端各垂直固定有一個連桿分別為連桿C和連桿B，其中連桿B與連桿A轉(zhuǎn)動連接，連桿C和抽桿轉(zhuǎn)動連接，在活塞安裝有連桿B的一側(cè)與限位環(huán)之間設(shè)置有一個回位彈簧，所述回位彈簧為舒張彈簧，驅(qū)動時，轉(zhuǎn)動盤進(jìn)行步進(jìn)轉(zhuǎn)動，滑塊E從弧形槽的一端移動到弧形槽的另一端，并在弧形槽另一端的帶動下沿著轉(zhuǎn)動盤的轉(zhuǎn)動軌跡移動，此時抽桿在滑塊E的拉動下，發(fā)生移動，從而打開各個導(dǎo)流閥；

而當(dāng)轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)過一定角度時，滑塊E在回位彈簧的驅(qū)動下，從弧形槽的一端被拉回到弧形槽的另一端，同時在回位彈簧的驅(qū)動下抽桿發(fā)生回位，使得各個導(dǎo)流閥關(guān)閉。

如圖6，試驗砂柱作為本發(fā)明的核心部件，其主體為一個圓柱形的砂柱外殼，砂柱外殼的內(nèi)壁為真空結(jié)構(gòu)，采用兩個同心的亞克力圓筒組合而成，在試驗砂柱的側(cè)壁上安裝有一個貫穿兩個亞克力圓筒的傳感器安裝管，傳感器安裝管與亞克力圓筒的壁面之間密封連接，從而保證整個砂柱外殼真空結(jié)構(gòu)的密封性，傳感器則通過傳感器安裝管插入到試驗砂柱內(nèi)，在傳感器安裝管內(nèi)壁還設(shè)置有若干密封圈以防止試驗砂柱內(nèi)水體的泄漏；

同時傳感器為熱傳感器，通過采集記錄儀實現(xiàn)對每個時間，試驗砂柱中不同位置溫度的采集。

在試驗砂柱的軸向兩端還連接有排水管，每個試驗砂柱兩端的排水管連接到一個測壓管的兩端，從而實現(xiàn)對試驗砂柱兩端之間壓力差的獲取。

具體試驗時，如圖1，包括如下幾個步驟：

步驟1：設(shè)置若干個均質(zhì)試驗砂柱、非均質(zhì)試驗砂柱和對照砂柱：在各均質(zhì)試驗砂柱中分別從頂至底依次填充入玻璃微珠、濾網(wǎng)層和卵石層，所述玻璃微珠的填充厚度與卵石層厚度之間的比例為5：1，卵石層填充厚度與濾網(wǎng)層填充厚度之間的比例為10：1，各均質(zhì)試驗砂柱自右向左充填的玻璃微珠的粒徑依次遞減，溫度傳感器自上而下布置8個，間距為10cm；在各非均質(zhì)試驗砂柱依次填充有長度為n的混合砂、濾網(wǎng)層和卵石層，所述混合砂按照前述各均質(zhì)試驗砂柱中的 玻璃微珠，從非均質(zhì)試驗砂柱的頂部到頂部方向分層設(shè)置，粒徑依次遞增，混合砂的每層玻璃微珠的填充厚度為5cm，4種粒徑的比例為1:1:1:1，所述混合砂的填充厚度與卵石層厚度之間的比例為5：1，卵石層填充厚度與濾網(wǎng)層填充厚度之間的比例為10:1,在非均質(zhì)試驗砂柱中溫度傳感器的布置間距10cm；所述對照砂柱內(nèi)從頂至底依次填充有標(biāo)準(zhǔn)砂層、濾網(wǎng)層和卵石層，標(biāo)準(zhǔn)砂層與卵石層的填充厚度比例為5:1，卵石層填充厚度與濾網(wǎng)層填充厚度之間的比例為10:1。在試驗砂柱的排水口處設(shè)置稱重機(jī)構(gòu)，對排出的流體量進(jìn)行稱重。

步驟2：試驗組參數(shù)確定：選取水溫參數(shù)，以5℃為水溫梯度，選取3組水溫：35℃、40℃、45℃作為砂柱上邊界試驗溫度，即恒溫水箱的控制溫度；選取水位差參數(shù)，以20cm為水位梯度，選取3組水位：150cm、170cm、190cm對砂柱內(nèi)滲流速度進(jìn)行控制；

步驟3：具體熱傳導(dǎo)和對流彌散試驗，按照不同的水溫參數(shù)和水位參數(shù)設(shè)置試驗組；

熱傳導(dǎo)每組試驗包括如下，步驟A：調(diào)節(jié)水箱的水位，使得測壓機(jī)構(gòu)的水壓值符合每組試驗的參數(shù)要求；通過恒溫控制器和加熱棒對恒溫水箱內(nèi)的試驗流體進(jìn)行加熱直到溫度均衡恒定，使得水溫符合每組試驗的要求參數(shù)；步驟B：通過同步機(jī)構(gòu)打開各導(dǎo)流閥，并開始計時，使得恒溫水箱內(nèi)的流體與砂柱內(nèi)多孔介質(zhì)接觸，溫度通過熱傳導(dǎo)進(jìn)入到試驗砂柱內(nèi)，同時通過溫度傳感器進(jìn)行各試驗砂柱不同位置的溫度進(jìn)行采集，采集的頻率為1次/5s，記錄各砂柱不同測點處的溫度數(shù)據(jù)系列；

對流彌散每組試驗包括如下，步驟A：調(diào)節(jié)水箱的水位，使得測壓機(jī)構(gòu)的水壓值符合每組試驗的參數(shù)要求；通過恒溫控制器和加熱棒對恒溫水箱內(nèi)的試驗流體進(jìn)行加熱直到溫度均衡恒定，使得水溫符合每組試驗的要求參數(shù)；步驟B：通過同步機(jī)構(gòu)打開各導(dǎo)流閥，同時，打開對應(yīng)所有試驗砂柱的排水口閥門，使得恒溫水箱內(nèi)的流體在水位差的作用下進(jìn)入砂柱內(nèi)，通過溫度傳感器進(jìn)行各試驗砂柱不同位置的溫度進(jìn)行采集，采集的頻率為1次/5s，記錄各砂柱不同測點處的溫度數(shù)據(jù)系列；步驟C；試驗過程中記錄單位時間內(nèi)的流體重量，時段根據(jù)出流情況選擇3種頻率，記錄各砂柱排出的流體量為Tⁿ，時間s；

步驟4：滲透系數(shù)、熱彌散系數(shù)等數(shù)據(jù)計算

一維土柱模型試驗方案分兩個階段：

(a)無對流條件下的半無限大含水層一維非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)試驗，該試驗中熱量以單純熱傳導(dǎo)的方式傳輸，利用這一物理過程獲取飽和孔隙含水層的熱擴(kuò)散率。

(b)定降深條件下的半無限大含水層一維非穩(wěn)態(tài)對流彌散試驗，其目的是為小尺度熱機(jī)械彌散模型建立提供試驗驗證。

兩階段試驗的熱量運移模式如圖圖7。

根據(jù)半無限土柱模型試驗階段(a)，假定含水層均質(zhì)各向同性、無內(nèi)熱源，不發(fā)生變形，介質(zhì)骨架與地下水之間存在瞬時熱平衡，視為等效連續(xù)介質(zhì)，如圖，τ＝0時刻，含水層的初始溫度為T₀，頂面邊界溫度為T_s，在無滲流條件下，此時，飽和孔隙含水層中只存在熱傳導(dǎo)傳熱作用。

那么控制方程為

當(dāng)λ_A為常數(shù)，不考慮x，y方向傳熱時，試驗中半無限大物體的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的數(shù)學(xué)模型表示為：

令

通過Laplace變換原理，令L[θ]＝F(z,s)，得：

則將s作為參數(shù)，方程可以變?yōu)殛P(guān)于z的常微分方程：

該方程的通解形式可以寫成：

根據(jù)邊界條件：當(dāng)條件同時滿足時，可得：

再通過Laplace逆變換可得我們?nèi)〉茫?/p>

其中，

式中，為無量綱溫度，T_z,τ為含水層內(nèi)任意一點不同時刻的溫度，T₀為含水層內(nèi)的初始溫度，T_s為上邊界面溫度，α_c為熱傳導(dǎo)條件下的熱擴(kuò)散率，τ為時間，erf(η)為誤差函數(shù)，erfc(η)為余誤差函數(shù)。

應(yīng)用半無限大物體一維熱傳導(dǎo)物理模型實驗，將試驗結(jié)果通過解析參數(shù)擬合計算獲得了熱擴(kuò)散率α_c，利用探針法獲得了實驗材料骨架導(dǎo)熱系數(shù)λ_s，將幾種有效導(dǎo)熱系數(shù)模型應(yīng)用于傳熱過程的計算，選取了距離熱源邊界面以下z₁＝0.08m與z₂＝0.18m兩個測點。

如圖8中給出了四組解析解標(biāo)準(zhǔn)曲線，分別為兩組試驗結(jié)果與解析解對比曲線。從圖中我們選取擬合較好的前400min的試驗結(jié)果來計算熱擴(kuò)散率。

為了獲得土柱中飽和黏土層的熱擴(kuò)散率α_c，采用解析擬合法求解，模型解析解為求逆變換可得：

令f(z,τ)＝arcerfc(θ(z,τ))；式變換為：

根據(jù)試驗值畫出f(z,τ)的實測點，通過最小二乘法擬合實測點，求得的擬合曲線方程為：f(0.08,τ)＝72.5276τ'+0.001；f(0.08,τ)＝16408057τ'-0.0005

從而求得直線的斜率k，計算出熱擴(kuò)散率：

α_c(z1＝0.08)＝3.082×10^-7；α_c(z2＝0.18)＝2.942×10^-7,,取其平均值α_c＝3.012e-7。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。