用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置及方法

专利名称：用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210684198.4

专利申请（专利权）人：太原理工大学
权利人地址：山西省太原市万柏林区迎泽西大街79号

专利发明（设计）人：郤保平,何水鑫,董赟盛,解瑾,李晓科,曹钰,赵璐敏,贾鹏,蔡佳豪

专利摘要：用于测量热冲击过程中对流换热系数的装置及方法，属于高温岩石力学实验领域，解决热冲击过程中岩石表面对流换热系数难以测定的问题，本装置包括恒温循环系统、对流换热实验系统、加热保温系统和数据采集系统，本发明采用温度传感器测定热冲击时岩石试样内部不同时刻下的温度数据，通过按照实际实验条件对数值模型进行赋值，通过数值模拟的手段反演真实热冲击过程，并不断矫正数值模拟中对流换热系数的值，使实测曲线与数值模拟曲线完美重合，最终得到确定参数下的岩石热冲击过程中的对流换热系数h。本发明可以实现对不同情况热冲击处理下岩石对流换热系数的精确测定与控制，从而可以更精确的研究热冲击的严重程度。

主权利要求：
1.用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，它包括恒温循环系统、对流换热实验系统、加热保温系统和数据采集系统，其特征在于：所述恒温循环系统包括循环泵(101)、恒温池(102)、保温隔热管道(103)，通过保温隔热管道(103)将循环泵(101)、恒温池(102)以及所述对流换热实验系统串联，循环泵(101)将恒温池(102)中的恒温冷却介质泵入对流换热实验系统，冷却介质与岩石试件发生热冲击换热后，通过保温隔热管道(103)回流至恒温池(102)中；
所述对流换热实验系统包括热冲击实验仓(201)，热冲击实验仓(201)的底面上设置限位孔(202)，密封盖板(204)的上方固定设置推杆，推杆沿竖直方向设置并且推杆的上端延伸至热冲击实验仓(201)的外部，推杆将密封盖板(204)压在限位孔(202)位置处，限位孔(202)内安装有耐高温密封橡胶圈(203)；
所述加热保温系统包括岩石试样加热罐(301)、绝热罐(302)和绝热板(303)，所述绝热罐(302)设置于热冲击实验仓(201)的下方并位于限位孔(202)位置处，绝热罐(302)的内壁上设置保温隔热层(3014)，绝热罐(302)的下端面与加热罐罐体(3012)的上端面可拆卸地连接，所述绝热板(303)设置于绝热罐(302)的下端面与加热罐罐体(3012)的上端面之间；
所述加热罐(301)包括加热罐罐体(3012)和加热罐上盖(3011)，加热罐上盖(3011)盖设于加热罐罐体(3012)的上方，加热罐上盖(3011)的内壁上设置保温隔热层(3014)，加热罐罐体(3012)底面的心部设置顶杆过孔，加热罐罐体(3012)的侧壁上设置夹层，夹层中设置保温隔热层(3014)，加热电阻丝(3013)设置于加热罐罐体(3012)的内壁上；初始状态时，顶进杆(305)的下端贯穿顶杆过孔延伸至加热罐罐体(3012)的外部，顶进杆(305)的上端固定设置试样夹具(304)，试样夹具(304)位于加热罐罐体(3012)中，试样夹具(304)夹持岩石试样在密闭的加热罐罐体(3012)内加热；使用过程中，拆除加热罐上盖(3011)并将加热罐罐体(3012)的上端面与绝热罐(302)的下端面固定连接，顶进杆(305)将岩石试样推入绝热罐(302)中，然后将两块半圆形绝热板(303)相对安装于绝热罐(302)的下端面与加热罐罐体(3012)的上端面之间；
所述数据采集系统包括电磁流量计(401)、热电偶温度传感器(402)和数据记录仪(403)，电磁流量计(401)分别设置于热冲击实验仓(201)的入口和出口处，热电偶温度传感器(402)的探头设置于岩石试样中，电磁流量计(401)与热电偶温度传感器(402)通过信号线与数据记录仪(403)电性连接。
2.根据权利要求1所述的用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，其特征在于：所述绝热板(303)为两块相对设置的半圆形板，绝热板(303)的上下表面上均设置保温隔热层(3014)，半圆形板的心部设置用于顶进杆(305)与传感器(402)的引线通过的孔。
3.根据权利要求1或2所述的用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，其特征在于：所述用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置与外界环境直接接触部分以及与岩石试样直接接触部分均设置保温隔热层。
4.根据权利要求1所述的用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，其特征在于：所述热冲击实验仓(201)设置为长方体形状，热冲击实验仓(201)的底面可拆卸地安装在热冲击实验仓(201)上，并且根据岩石试样的大小设置限位孔(202)的孔径。
5.根据权利要求1或4所述的用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，其特征在于：耐高温密封橡胶圈(203)的外圆直径等于限位孔(202)的直径，耐高温密封橡胶圈(203)的内圆直径等于岩石试样的直径。
6.根据权利要求1所述的用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，其特征在于：所述恒温池(102)的总容积至少为岩石试样体积的100倍，热冲击实验仓(201)纵截面的边长至少为岩石试样直径的10倍。
7.根据权利要求1所述的用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，其特征在于：在所述恒温池(102)的内部设置循环泵(101)，用于保证冷却介质在恒温池(102)内维持恒定温度。
8.一种采用如权利要求1所述的装置测定热冲击过程中对流换热系数的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、对岩石试样预处理：
按照标准方法测定岩石试样的尺寸、密度、导热系数和比热容，并在岩石试样的预定位置处缓慢钻出若干不同深度的盲孔，将热电偶温度传感器(402)的探头分别埋置在若干盲孔中，采用铝粉填充探头与盲孔孔壁之间的缝隙，并采用耐高温水泥进行封孔处理，随后按常规技术对预处理后的岩石试样进行养护，留待后步使用；
S2、将步骤S1预处理后的岩石试样放入加热罐(301)内并夹装在试样夹具(304)上，盖好加热罐上盖(3011)，然后将温度传感器(402)的引线与数据记录仪(403)信号输入端电性连接，数据记录仪(403)开始进行数据记录；加热罐(301)设置好目标温度及升温速率后开始密闭加热，与此同时恒温池(102)设置目标温度，并启动恒温池(102)内的内部循环泵，使恒温池(102)中的冷却介质温度均匀一致；
S3、待恒温池(102)中冷却介质的温度达到目标值后，通过推杆将密封盖板(204)压紧限位孔(202)，并在热冲击实验仓(201)的下方位于限位孔(202)位置处安装绝热罐(302)；
启动循环泵(101)，将恒温池(102)中的恒温冷却介质通过保温隔热管道(103)泵入热冲击实验仓(201)，冷却介质与岩石试件发生热冲击后，通过保温隔热管道(103)回流至恒温池(102)中，维持冷却介质恒温；冷却介质流动过程中读取电磁流量计(401)上的读数，不断调整循环泵(101)的输出功率，直至热冲击实验仓(201)中的流速达到目标值且维持稳定；
S4、观察数据记录仪(403)上显示的岩石试样的温度达到目标值后，关闭加热电阻丝(3013)的电源，打开加热罐上盖(3011)，迅速将加热罐罐体(3012)的上端面与绝热罐(302)的下端面固定连接，然后迅速向上推动顶进杆(305)带动高温岩石试样从加热罐(301)移动至绝热罐(302)中，直至耐高温密封橡胶圈(203)套于岩石试样的外壁上，岩石试样的上端面与密封盖板(204)紧贴；
S5、加热罐(301)与绝热罐(302)短暂分离，绝热板(303)安装于加热罐(301)与绝热罐(302)相对的端面之间，然后将加热罐(301)与绝热罐(302)重新固定连接，使绝热罐(302)中的岩石试样处于绝热环境；
S6、通过推杆迅速提起密封盖板(204)，使热冲击实验仓(201)中的冷却介质与岩石试样暴露出的上端面发生热冲击，通过数据记录仪(403)记录热冲击实验过程中岩石试样内部各个检测点的温度，当各个检测位置的温度均与冷却介质温度一致后，岩石完全冷却，热冲击实验结束，循环泵(101)停止，将绝热罐(302)与热冲击实验仓(201)分离，通过顶进杆(305)取出岩石试样；
S7、按照步骤S1中测得的岩石试样的物理参数对数值模型进行赋值，所用数值模型的
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几何尺寸与真实岩石试样尺寸相同，初始对流换热系数取经验值1000W/k·m，边界条件的设置完全按照实验中的真实条件进行设置，即令岩石试样的上端面为对流换热边界，其余边界均设置为绝热边界，完成赋值及边界条件设置后进行数值模拟；完成数值模拟后，在数值模型上选取与实际测点相对应的测点，获得整个热冲击实验过程中数值模拟计算出的温度数据；
S8、将通过温度传感器获取的实测数据与通过数值模拟获得的数据进行数据处理：
温度传感器记录频率为1s/次， 为数值模拟中获得的i时刻下测点序号为k处的温度，为通过传感器实测获得的i时刻下测点序号为k处的温度，定义数值模拟结果与实测结果之间的误差为：式中，n为时刻，m为测点个数；
若数值模拟结果与实测结果之间的误差R＞0.01时，调整数值模拟中对流换热系数h并进行下一次数值模拟，重新获得 然后重新计算误差R，循环进行数值模拟直至数值模拟结果与实测结果之间的误差R≤0.01时，输出对流换热系数h，即认为此时数值模拟中选取的对流换热系数h可以代表真实热冲击过程中的对流换热系数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在所述步骤S5中，加热罐(301)与绝热罐(302)短暂分离后空隙的高度等于绝热板(303)的厚度。 说明书 : 用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置及方法技术领域[0001] 本发明属于高温岩石力学测试技术领域，具体涉及一种用于测定高温岩石热冲击冷却过程中对流换热系数的装置及其测定方法。背景技术[0002] 1.高温岩石力学的重要性[0003] 在干热岩地热资源开发、核废料处置库的建造以及热力破岩等技术领域中，会出现高温岩体在低温流体的作用下迅速冷却的“热冲击现象”。岩石的热冲击现象具有温度变化幅度大，温度变化时间极短的特点。巨大且迅速的温度变化会在岩石内部产生巨大的热冲击应力，导致岩体的失稳破坏，如不能掌握岩石热冲击破裂的机理，就会给实际工程带来很大的不便与安全隐患。热冲击作用下的高温岩体的破坏机理比较复杂，为了探究热冲击作用下的岩体损伤机理，需要在实验室中对热冲击处理的岩石试样采用多种手段进行分析。[0004] 2.当前实验方案的问题[0005] 当前实验室中进行热冲击的实验手段比较粗放，通常是通过直接将高温岩石试样完全没入低温流体中来实现的。有些热冲击实验采用了循环控温装置，即采用循环泵对冷却介质进行恒温控制，相较直接将高温岩石没入冷却介质中的方法而言是一种进步，但是仍旧不能定量的对热冲击这一过程中的物理参量进行控制，如果难以对热冲击过程中的变量进行精确控制与分析，对岩石热冲击破裂的机理的深入研究也很难进行下去。[0006] 3.热冲击过程中的热交换[0007] 热冲击过程是岩石和冷却介质之间的剧烈热交换现象，热传导和热对流出现在整个热冲击过程中。[0008] 岩石内部热传导的公式：[0009][0010] 式中，Q1为岩石内部进行热传导的总热量；λ为岩石导热系数； 为热传导过程中岩石内部的温度梯度；S为发生热传导的总面积；τ为发生热传导的总时间。[0011] 岩石表面对流换热的公式：[0012] Q2＝hSτΔT；[0013] 式中，Q2为岩石表面进行对流换热的总能量；h为发生对流换热时的对流换热系数；S为发生对流换热的总面积；τ为发生对流换热的总时间；ΔT为岩石与流体介质之间的温度差。[0014] 由能量守恒定律可知，在热冲击发生时，岩石内部传导的热量等于岩石与低温流体在表面发生热对流的热量，即Q1＝Q2。[0015] 从上述公式中可以发现，热冲击过程中发生在岩石内部的热传导与岩石的导热系数有关，而导热系数是岩石的固有属性，因此在热冲击过程中岩石的导热系数基本可以认为是不变的。而从对流换热的公式中可知，与对流换热密切相关的参数有：冷却介质的温度、岩石的温度和对流换热系数。对流换热系数是一个过程量，不同的实验条件下的对流换热系数也不相同，而对流换热系数的大小明显决定着对流换热的热量的多少，对热冲击的效果有显著影响。[0016] 综上所述，不同流速、不同冷却介质及其温度、不同岩石种类、不同时刻下的对流换热系数均不相同，为了定量化的研究热冲击对岩石试样造成的损伤，需要采用更精确、合理的实验方案对岩石进行热冲击处理。发明内容[0017] 本发明的目的在于克服背景技术部分所述的不足，解决热冲击过程中岩石表面对流换热系数难以测定的问题，本发明提供一种测定高温岩石热冲击冷却过程中对流换热系数的装置及其测定方法。[0018] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：[0019] 用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，它包括恒温循环系统、对流换热实验系统、加热保温系统和数据采集系统，其中：[0020] 所述恒温循环系统包括循环泵、恒温池、保温隔热管道，通过保温隔热管道将循环泵、恒温池以及所述对流换热实验系统串联，循环泵将恒温池中的恒温冷却介质泵入对流换热实验系统，冷却介质与岩石试件发生热冲击换热后，通过保温隔热管道回流至恒温池中；[0021] 所述对流换热实验系统包括热冲击实验仓，热冲击实验仓的底面上设置限位孔，密封盖板的上方固定设置推杆，推杆沿竖直方向设置并且推杆的上端延伸至热冲击实验仓的外部，推杆将密封盖板压在限位孔位置处，限位孔内安装有耐高温密封橡胶圈；[0022] 所述加热保温系统包括岩石试样加热罐、绝热罐和绝热板，所述绝热罐设置于热冲击实验仓的下方并位于限位孔位置处，绝热罐的内壁上设置保温隔热层，绝热罐的下端面与加热罐罐体的上端面可拆卸地连接，所述绝热板设置于绝热罐的下端面与加热罐罐体的上端面之间；[0023] 所述加热罐包括加热罐罐体和加热罐上盖，加热罐上盖盖设于加热罐罐体的上方，加热罐上盖的内壁上设置保温隔热层，加热罐罐体底面的心部设置顶杆过孔，加热罐罐体的侧壁上设置夹层，夹层中设置保温隔热层，加热电阻丝设置于加热罐罐体的内壁上；初始状态时，顶进杆的下端贯穿顶杆过孔延伸至加热罐罐体的外部，顶进杆的上端固定设置试样夹具，试样夹具位于加热罐罐体中，试样夹具夹持岩石试样在密闭的加热罐罐体内加热；使用过程中，拆除加热罐上盖并将加热罐罐体的上端面与绝热罐的下端面固定连接，顶进杆将岩石试样推入绝热罐中，然后将两块半圆形绝热板相对安装于绝热罐的下端面与加热罐罐体的上端面之间；[0024] 所述数据采集系统包括电磁流量计、热电偶温度传感器和数据记录仪，电磁流量计分别设置于对流换热实验仓的入口和出口处，热电偶温度传感器的探头设置于岩石试样中，电磁流量计与热电偶温度传感器通过信号线与数据记录仪电性连接。[0025] 进一步地，所述绝热板为两块相对设置的半圆形板，绝热板的上下表面上均设置保温隔热层，半圆形板的心部设置用于顶进杆与传感器的引线通过的孔。[0026] 进一步地，所述用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置与外界环境直接接触部分以及与岩石试样直接接触部分均设置保温隔热层。[0027] 进一步地，所述热冲击实验仓设置为长方体形状，热冲击实验仓的底面可拆卸地安装在热冲击实验仓上，并且根据岩石试样的大小设置限位孔的孔径。[0028] 进一步地，耐高温密封橡胶圈的外圆直径等于限位孔的直径，耐高温密封橡胶圈的内圆直径等于岩石试样的直径。[0029] 进一步地，所述恒温池的总容积至少为岩石试样体积的100倍，热冲击实验仓纵截面的边长至少为岩石试样直径的10倍。[0030] 进一步地，在所述恒温池的内部设置内部循环泵，用于保证冷却介质在恒温池内维持恒定温度。[0031] 一种采用上述装置测定热冲击过程中对流换热系数的方法，其特征在于包括以下步骤：[0032] S1、对岩石试样预处理：[0033] 按照标准方法测定岩石试样的尺寸、密度、导热系数和比热容，并在岩石试样的预定位置处缓慢钻出若干不同深度的盲孔，将热电偶温度传感器的探头分别埋置在若干盲孔中，采用铝粉(导热性能较好)填充探头与盲孔孔壁之间的缝隙，并采用耐高温水泥进行封孔处理，随后按常规技术对预处理后的岩石试样进行养护，留待后步使用；[0034] S2、将步骤S1预处理后的岩石试样放入加热罐内并夹装在岩石试样夹具上，盖好加热罐上盖，然后将温度传感器的引线与数据记录仪信号输入端电性连接，数据记录仪开始进行数据记录；加热罐设置好目标温度及升温速率后开始密闭加热，与此同时恒温池设置目标温度，并启动恒温池内的内部循环泵，使恒温池中的冷却介质温度均匀一致；[0035] S3、待恒温池中冷却介质的温度达到目标值后，通过推杆将密封盖板压紧限位孔，并在热冲击实验仓的下方位于限位孔位置处安装绝热罐；启动循环泵，将恒温池中的恒温冷却介质通过保温隔热管道泵入热冲击实验仓，冷却介质与岩石试件发生热冲击后，通过保温隔热管道回流至恒温池中，维持冷却介质恒温；冷却介质流动过程中读取电磁流量计上的读数，不断调整循环泵的输出功率，直至热冲击实验仓中的流速达到目标值且维持稳定；[0036] S4、观察数据记录仪上显示的岩石试样的温度达到目标值后，关闭加热电阻丝的电源，打开加热罐上盖，迅速将加热罐罐体的上端面与绝热罐的下端面固定连接，然后迅速向上推动顶进杆带动高温岩石试样从加热罐移动至绝热罐中，直至耐高温密封橡胶圈套于岩石试样的外壁上，岩石试样的上端面与密封盖板紧贴；[0037] S5、加热罐与绝热罐短暂分离，绝热板安装于加热罐与绝热罐相对的端面之间，然后将加热罐与绝热罐重新固定连接，使绝热罐中的岩石试样处于绝热环境；[0038] S6、通过推杆迅速提起密封盖板，使热冲击实验仓中的冷却介质与岩石试样暴露出的上端面发生热冲击，通过数据记录仪记录热冲击实验过程中岩石试样内部各个检测点的温度，当各个检测位置的温度均与冷却介质温度一致后，岩石完全冷却，热冲击实验结束，循环泵停止，将绝热罐与热冲击实验仓分离，通过顶进杆取出岩石试样；[0039] S7、按照步骤S1中测得的岩石试样的物理参数对数值模型进行赋值，所用数值模2型的几何尺寸与真实岩石试样尺寸相同，初始对流换热系数取经验值1000W/k·m，边界条件的设置完全按照实验中的真实条件进行设置，即令岩石试样的上端面为对流换热边界，其余边界均设置为绝热边界，完成赋值及边界条件设置后进行数值模拟；完成数值模拟后，在数值模型上选取与实际测点相对应的测点，获得整个热冲击实验过程中数值模拟计算出的温度数据；[0040] S8、将通过温度传感器获取的实测数据与通过数值模拟获得的数据进行数据处理：[0041] 温度传感器记录频率为1s/次， 为数值模拟中获得的i时刻下测点序号为k处的温度， 为通过传感器实测获得的i时刻下测点序号为k处的温度，定义数值模拟结果与实测结果之间的误差为：[0042][0043] 式中，n为时刻，m为测点个数；[0044] 若数值模拟结果与实测结果之间的误差R＞0.01时，调整数值模拟中对流换热系数h并进行下一次数值模拟，重新获得 然后重新计算误差R，循环进行数值模拟直至数值模拟结果与实测结果之间的误差R≤0.01时，输出对流换热系数h，即认为此时数值模拟中选取的对流换热系数h可以代表真实热冲击过程中的对流换热系数。[0045] 进一步地，在所述步骤S5中，加热罐与绝热罐短暂分离后空隙的高度等于绝热板的厚度。[0046] 与现有技术相比本发明的有益效果为：[0047] 本发明采用温度传感器测定热冲击时岩石试样内部不同时刻下的温度数据，通过按照实际实验条件对数值模型进行赋值，通过数值模拟的手段反演真实热冲击过程，并不断校正数值模拟中对流换热系数的值，使实测曲线与数值模拟曲线完美重合，最终得到某一岩石温度、某一冷却介质温度、某种冷却介质、某一冷却介质流速，等等确定参数下的岩石热冲击过程中的对流换热系数h。[0048] 本发明可以实现对不同情况热冲击处理下岩石对流换热系数的精确测定与控制，采用本设备及方法可以严格控制热冲击过程中的变量，从而可以更精确的研究热冲击的严重程度。也可通过本设备研究不同条件下的对流换热系数变化情况，总结获得更精确的不同热冲击情况下的对流换热系数经验公式。附图说明[0049] 图1为冷却介质循环结构示意图；[0050] 图2为加热罐主视结构示意图；[0051] 图3为加热罐主视剖视结构示意图；[0052] 图4为加热罐侧视结构示意图；[0053] 图5为加热罐俯视结构示意图；[0054] 图6为绝热罐主视剖视结构示意图；[0055] 图7为绝热板俯视结构示意图；[0056] 图8为本发明(省略循环泵)装配结构示意图；[0057] 图9为热冲击实验步骤流程图；[0058] 图10为数据处理流程图；[0059] 图11为某个测点处的数值模拟结果与实测结果对照曲线图。[0060] 图中：101为循环泵；102为恒温池；103为保温隔热管道；201为热冲击实验仓；202为限位孔；203为耐高温密封橡胶圈；204为密封盖板；301为加热罐；3011为加热罐上盖；3012为加热罐罐体；3013为加热电阻丝；3014为保温隔热层；302为绝热罐；303为绝热板；304为岩石试样夹具；305为顶进杆；401为电磁流量计；402为热电偶温度传感器；403为数据记录仪；具体实施方式[0061] 以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例均按照常规实验条件。另外，对于本领域技术人员而言，在不偏离本发明的实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。[0062] 用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置，它包括恒温循环系统、对流换热实验系统、加热保温系统和数据采集系统，其中：[0063] 所述恒温循环系统包括循环泵101、恒温池102、保温隔热管道103，通过保温隔热管道103将循环泵101、恒温池102以及所述对流换热实验系统串联，循环泵101将恒温池102中的恒温冷却介质泵入对流换热实验系统，冷却介质与岩石试件发生热冲击换热后，通过保温隔热管道103回流至恒温池102中；[0064] 所述对流换热实验系统包括热冲击实验仓201，热冲击实验仓201的底面上设置限位孔202，密封盖板204的上方固定设置推杆，推杆沿竖直方向设置并且推杆的上端延伸至热冲击实验仓201的外部，推杆将密封盖板204压在限位孔202位置处，限位孔202内安装有耐高温密封橡胶圈203；[0065] 所述加热保温系统包括岩石试样加热罐301、绝热罐302和绝热板303，所述绝热罐302设置于热冲击实验仓201的下方并位于限位孔202位置处，绝热罐302的内壁上设置保温隔热层3014，绝热罐302的下端面与加热罐罐体3012的上端面可拆卸地连接，所述绝热板303设置于绝热罐302的下端面与加热罐罐体3012的上端面之间；[0066] 所述加热罐301包括加热罐罐体3012和加热罐上盖3011，加热罐上盖3011盖设于加热罐罐体3012的上方，加热罐上盖3011的内壁上设置保温隔热层3014，加热罐罐体3012底面的心部设置顶杆过孔，加热罐罐体3012的侧壁上设置夹层，夹层中设置保温隔热层3014，加热电阻丝3013设置于加热罐罐体3012的内壁上；初始状态时，顶进杆305的下端贯穿顶杆过孔延伸至加热罐罐体3012的外部，顶进杆305的上端固定设置试样夹具304，试样夹具304位于加热罐罐体3012中，试样夹具304夹持岩石试样在密闭的加热罐罐体3012内加热；使用过程中，拆除加热罐上盖3011并将加热罐罐体3012的上端面与绝热罐302的下端面固定连接，顶进杆305将岩石试样推入绝热罐302中，然后将两块半圆形绝热板303相对安装于绝热罐302的下端面与加热罐罐体3012的上端面之间；[0067] 所述数据采集系统包括电磁流量计401、热电偶温度传感器402和数据记录仪403，电磁流量计401分别设置于对流换热实验仓201的入口和出口处，热电偶温度传感器402的探头设置于岩石试样中，电磁流量计401与热电偶温度传感器402通过信号线与数据记录仪403电性连接。[0068] 进一步地，所述绝热板303为两块相对设置的半圆形板，绝热板303的上下表面上均设置保温隔热层3014，半圆形板的心部设置用于顶进杆305与传感器402的引线通过的孔。[0069] 进一步地，所述用于测定热冲击冷却过程中对流换热系数的装置与外界环境直接接触部分以及与岩石试样直接接触部分均设置保温隔热层。[0070] 进一步地，所述热冲击实验仓201设置为长方体形状，热冲击实验仓201的底面可拆卸地安装在热冲击实验仓201上，并且根据岩石试样的大小设置限位孔202的孔径。[0071] 进一步地，耐高温密封橡胶圈203的外圆直径等于限位孔202的直径，耐高温密封橡胶圈203的内圆直径等于岩石试样的直径。[0072] 进一步地，所述恒温池102的总容积至少为岩石试样体积的100倍，热冲击实验仓201纵截面的边长至少为岩石试样直径的10倍。[0073] 进一步地，在所述恒温池102的内部设置内部循环泵，用于保证冷却介质在恒温池102内维持恒定温度。[0074] 一种采用上述装置测定热冲击过程中对流换热系数的方法，其特征在于包括以下步骤：[0075] S1、对岩石试样预处理：[0076] 按照标准方法测定岩石试样的尺寸、密度、导热系数和比热容，并在岩石试样的预定位置处缓慢钻出若干不同深度的盲孔，将热电偶温度传感器402的探头分别埋置在若干盲孔中，采用铝粉填充探头与盲孔孔壁之间的缝隙，并采用耐高温水泥进行封孔处理，随后按常规技术对预处理后的岩石试样进行养护，留待后步使用；[0077] S2、将步骤S1预处理后的岩石试样放入加热罐301内并夹装在岩石试样夹具304上，盖好加热罐上盖3011，然后将温度传感器402的引线与数据记录仪403信号输入端电性连接，数据记录仪403开始进行数据记录；加热罐301设置好目标温度及升温速率后开始密闭加热，与此同时恒温池102设置目标温度，并启动恒温池102内的内部循环泵103，使恒温池102中的冷却介质温度均匀一致；[0078] S3、待恒温池102中冷却介质的温度达到目标值后，通过推杆将密封盖板204压紧限位孔202，并在热冲击实验仓201的下方位于限位孔202位置处安装绝热罐302；启动循环泵101，将恒温池102中的恒温冷却介质通过保温隔热管道103泵入热冲击实验仓201，冷却介质与岩石试件发生热冲击后，通过保温隔热管道103回流至恒温池102中，维持冷却介质恒温；冷却介质流动过程中读取电磁流量计401上的读数，不断调整循环泵101的输出功率，直至热冲击实验仓201中的流速达到目标值且维持稳定；[0079] S4、观察数据记录仪403上显示的岩石试样的温度达到目标值后，关闭加热电阻丝3013的电源，打开加热罐上盖3011，迅速将加热罐罐体3012的上端面与绝热罐302的下端面固定连接，然后迅速向上推动顶进杆305带动高温岩石试样从加热罐301移动至绝热罐302中，直至耐高温密封橡胶圈203套于岩石试样的外壁上，岩石试样的上端面与密封盖板204紧贴；[0080] S5、加热罐301与绝热罐302短暂分离，绝热板303安装于加热罐301与绝热罐302相对的端面之间，然后将加热罐301与绝热罐302重新固定连接，使绝热罐302中的岩石试样处于绝热环境；[0081] S6、通过推杆迅速提起密封盖板204，使热冲击实验仓201中的冷却介质与岩石试样暴露出的上端面发生热冲击，通过数据记录仪403记录热冲击实验过程中岩石试样内部各个检测点的温度，当各个检测位置的温度均与冷却介质温度一致后，岩石完全冷却，热冲击实验结束，循环泵101停止，将绝热罐302与热冲击实验仓201分离，通过顶进杆305取出岩石试样；[0082] S7、按照步骤S1中测得的岩石试样的物理参数对数值模型进行赋值，所用数值模2型的几何尺寸与真实岩石试样尺寸相同，初始对流换热系数取经验值1000W/k·m，边界条件的设置完全按照实验中的真实条件进行设置，即令岩石试样的上端面为对流换热边界，其余边界均设置为绝热边界，完成赋值及边界条件设置后进行数值模拟；完成数值模拟后，在数值模型上选取与实际测点相对应的测点，获得整个热冲击实验过程中数值模拟计算出的温度数据；[0083] S8、将通过温度传感器获取的实测数据与通过数值模拟获得的数据进行数据处理：[0084] 温度传感器记录频率为1s/次， 为数值模拟中获得的i时刻下测点序号为k处的温度， 为通过传感器实测获得的i时刻下测点序号为k处的温度，定义数值模拟结果与实测结果之间的误差为：[0085][0086] 式中，n为时刻，m为测点个数；[0087] 若数值模拟结果与实测结果之间的误差R＞0.01时，调整数值模拟中对流换热系数h并进行下一次数值模拟，重新获得 然后重新计算误差R，循环进行数值模拟直至数值模拟结果与实测结果之间的误差R≤0.01时，输出对流换热系数h，即认为此时数值模拟中选取的对流换热系数h可以代表真实热冲击过程中的对流换热系数。[0088] 进一步地，在所述步骤S5中，加热罐301与绝热罐302短暂分离后空隙的高度等于绝热板303的厚度。[0089] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

专利地区：山西

专利申请日期：2022-06-16

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN115060618B