一种地下岩土分层热物性现场热响应测试方法

摘要

一种地下岩土分层热物性现场热响应测试方法。本发明涉及一种地下岩土分层热物性现场热响应测试装置。本发明埋U型管，光纤温度传感器插入U型管两支管内，连接U型管与地上测试装置循环水管道进出口，测量不同深度层U型管的两支管即进水支管与出水支管内水温度，保持加热器功率恒定，记录不同时刻且不同深度层U型管两支管内水温、循环水流量、加热器加热功率的测量数据，得到各层土壤的导热系数、容积比热及钻孔热阻值。本发明解决了过去无法获得不同深度处的岩土热物性分布，无法提高测试精度、改善地下埋管优化设计方法等缺陷。本发明可获得不同深度处的地下岩土热物性值及土壤岩土类型、地下水含量与渗流情况，灵敏度高、抗干扰性强、耐腐蚀、安装尺寸小、无电源要求，测试成本低。

主权项

1.一种地下岩土分层热物性现场热响应测试方法，其特征在于所述测试系统包括保温水箱、可调电加热器、水泵、电磁流量计、流量调节阀、光纤温度传感器及数据采集装置，且可调电加热器、电磁流量计及光纤温度传感器通过信号传输线与数据采集装置连接，它的实施步骤如下：(1)在埋管现场钻测试孔，插入U型管，并用回填材料进行回填；(2)对地下土壤按深度方向分层，将光纤温度传感器插入U型管的两支管内；(3)连接U型管与地上测试装置循环水管道进出口；(4)静置至少48小时后，测量不同深度层U型管两支管内水温度，以获得各层土壤的初始温度；(5)开启电加热器和循环水泵，并保持加热器功率恒定，同时以一定时间间隔记录不同时刻的测量数据：不同深度层U型管两支管内水温、循环水流量、加热器加热功率，测试约48小时后停止；(6)对每层土壤，利用线热源理论对测试数据进行处理，并结合参数优化技术得到各层土壤的热物性值，具体如下：根据线热源理论，对每层土壤有：T_f，k＝m_klnτ+b_k        (1)m_k＝Q_k/(4πλ_kL_k)        (2)$b_k=\frac{Q_k}{4\pi {\lambda }_k{L}_k}[\ln \left(\frac{{4\lambda }_k}{{\left(\mathrm{\rho c}\right)}_k}\right)-0.5772]+\frac{Q_k}{L_k}{R}_{b,k}+T_{\mathrm{ff},k}---\left(3\right)$$Q_k=c\stackrel{·}{m}[(T_{\mathrm{fi},k}-T_{\mathrm{fo},k})-(T_{\mathrm{fi},k+1}-T_{\mathrm{fo},k+1})]---\left(4\right)$式中，下标k表示土壤的层数，Q_k为第k层土壤的换热量，W；L_k为第k层土壤的深度，m；λ_k为第k层土壤的导热系数，W/(m·K)；(ρc)_k为第k层土壤的容积比热，J/(m²·K)；R_b，k为第k层的单位长度钻孔热阻，(m·K)/W；T_f，k为第k层的流体平均温度，℃；T_fi，k，T_fi，k+1分别为第k层土壤深度范围内U型管进水支管的进、出口温度，℃；T_fo，k+1，T_fo，k分别为第k层土壤深度范围内U型管出水支管的进、出口温度，℃；T_ff，k为第k层土壤的原始平均温度，℃；c为流体质量比热，kJ/(kg℃)；为循环流体质量流量，kg/s；针对每层土壤，通过实验测试所获得的Q_k及不同时刻埋管流体平均温度T_f，k值，在温度-时间对数坐标轴上拟合出式(1)即可得到m_k，从而根据方程(2)得到各深度层土壤的导热系数λ_k；再将λ_k值代入式(1)，以(ρc)_k与R_b，k为优化变量，以式(5)作为优化函数，利用参数估计法即可得出各层土壤的容积比热与钻孔热阻值；$F=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(T_{{(f,k)}_{\mathrm{cal}}}-T_{(f,k)\exp })}^2---\left(5\right)$式中，为计算得到的第k层流体平均温度，T_(f，k)exp为测试得到的第k层流体平均温度，n为土壤总层数，N为数据采集次数。