[发明专利]一种用于土壤水热耦合试验的系统

说明书

技术领域

 本发明涉及一种试验系统，特别是指一种对恒温水入渗下土壤内水热环境与交互机理进行有效测试分析的试验系统。

背景技术

 在农田土壤学、地下水科学、油气田开采以及地热资源开发利用等研究应用领域，准确预测和分析含温流体（水、水汽、石油等）在各种类型的多孔介质土壤中的对流与热扩散过程是科研工作者们要解决的主要问题之一。由于含温流体在饱和-非饱和带土壤中的热质传输过程极为复杂，并且缺乏对流体-热量-介质骨架相互之间的交互作用机理的深入认识，饱和-非饱和带土壤内水热耦合机理成为了各学科相关研究人员的研究重点和难点。现场野外试验环境的复杂性、多因素性和不可控性，更加加重了定量刻画水热耦合关系的难度。因此，在实验室尺度下开展实验，形成人工干预的环境水流特征将是有效的解决方法。然而，长期以来，由于缺乏对试验样品所处环境气温的有效控制，含温流体在长时间的试验时段中温控精度难以保证，以及试验装置的系统性和自动化程度较差等因素，严重地制约了科研工作者对土壤等多孔介质内流-固-热等多场多相理化特性的深入认识。因此，迫切需要有一套完整的水热耦合模拟实验系统，该系统装置需立足于水土介质所处的多物理场的真实背景，一方面能够满足准确分析饱和-非饱和土壤内水热耦合过程中各单一因素变量的影响，并对其它环境变量进行有效地控制的要求；另一方面，需要能够还原水土介质所处的真实理化环境，具备开展多因素环境变量交叉影响下的水热耦合过程分析的功能。

基于以上分析，本发明人试图研发一种满足前述要求的试验系统，本案由此产生。

发明内容

 本发明所要解决的技术问题，是针对前述背景技术中的缺陷和不足，提供一种用于土壤水热耦合试验的系统，其可极大地提高试验量测精度，减少人为因素所带来的测量误差，降低试验人员的工作强度。

本发明为解决以上技术问题，所采用的技术方案是：

一种用于土壤水热耦合试验的系统，包括水温控制装置、水压模拟升降平台、外环境控制箱和数据采集与处理装置；

水温控制装置包括保温储水箱及分别设于其内部的制冷温控设备和加热温控设备；

外环境控制箱包括温度控制模块、湿度控制模块、降雨喷淋装置和土槽试验模型，降雨喷淋装置设于土槽试验模型的上方；

水压模拟升降平台包括自动升降装置、上游水箱、下游水箱和引流输运管道，上游水箱和下游水箱均设于自动升降装置上，其中，储水箱的恒温液通过磁力泵输送到上游水箱，上游水箱中的溢流水再经另一磁力泵返回储水箱，所述上游水箱还经由引流输运管道连接土槽试验模型；流经土槽试验模型的渗滤液经其出口端进入下游水箱；

数据采集与处理装置包括相互连接的组合式信号巡检仪和计算机。

上述水温控制装置还包括固定于保温储水箱的箱盖上的搅拌器。

上述温度控制模块包括温控仪、压缩机组和热敏元件，热敏元件设于外环境控制箱中，其输出端连接温控仪，而温控仪的输出端连接设于外环境控制箱中的压缩机组。

上述湿度控制模块包括湿度控制器、湿度传感器和加湿器，湿度传感器设于外环境控制箱中，其输出端连接湿度控制器，湿度控制器根据接收湿度传感器的电信号，控制设于外环境控制箱中的加湿器的工作状态。

综上，本发明的技术方案是：基于高精度传感器和信号转换技术，从水温控制装置中引出高精度恒温水，通过压力升降平台和高效的保温管道引至土槽试验模型的进水端，含温水体通过试验土样之后，经过滤回到水箱并形成循环；试验土样中预置了用于采集土壤理化特性的敏感元件，各种敏感元件所采集的信号再通过信号转换成为计算机可识别信号，通过数据分析程序将信号实时显示和处理分析；试验过程中，土样模型整体置于温度和湿度可控的封闭环境试验箱内，保证水热耦合相互作用的过程中，外界环境始终处于稳定状态。

采用上述方案后，本发明在水温恒定控制精度，管路保温与模型无缝对接程度、环境模拟真实度以及数据采集与处理的自动化程度上，均比现有类似试验装置有很大的改进与提高。该装置对于试验土样，在恒定（或变化）水头、降雨、冷热水（或溶液）入渗条件下，试样土内饱和-非饱和区水-热迁移分布规律可以进行全自动水分、温度及浓度监测和数据采集处理。这种自动化的数据采集处理，极大地提高了试验量测精度，减少了人为因素所带来的测量误差，显著地降低了试验人员的工作强度。因此，本试验系统为饱和-非饱和土壤水热环境与交互机理进行有效测试分析提供了较为先进的试验手段。

附图说明

 图1是本发明的整体架构图；

图2是本发明具体实施例的结构示意图。

图中标号说明如下：