自循环水冷却冻融离心模型试验装置研制-中国水利水电科学研究院学报.pdfVIP

第15 卷 第4 期 中国水利水电科学研究院学报 Vol. 15 No.4 2017 年8 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research August ，2017 文章编号：1672-3031（2017 ）04-0314-05 自循环水冷却冻融离心模型试验装置研制 赵宝忠，洪建忠，张鸣雷，栗 庆，罗昭宇，余小勇 （中国工程物理研究院 总体工程研究所，四川 绵阳 621000 ） 摘要：冻融离心模型试验装置的研发在国内尚处于起步阶段。装置根据半导体单元材料的Peltier 效应（帕尔贴效 应）设计了安装于双层结构冻融模型箱的热交换系统，实现了离心场下的冻融温变模拟。针对离心机设备无外接 冷却水的问题，采用在离心机转臂上设置了由水箱、水泵和风冷散热器组成的自循环水冷却系统，利用离心机旋 转时转臂与周围空气速度差产生的高速气流带走自循环水的热量，实现了无外接水源情况下的冻融离心试验。冻 融离心试验结果表明，该试验装置满足试验需求。 关键词：冻融离心模型；自循环水冷；半导体制冷 中图分类号：TH 122 文献标识码：A doi ：10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04 .012 1 研究背景 近年来，离心机作为超重环境模拟试验装置，广泛应用于国防科研和国民经济建设领域，土工 离心模型试验技术也随之发展成熟，在堤坝、路基、隧道和建筑物等方面的应用研究，也得到不断 地创新发展。 我国多年冻土面积约占全国总面积的21.5 %［1］，温度变化跨度大，相关的建筑物或设施基础会因 为温度变化产生冻胀融沉现象，严重者会导致相关工程结构破坏。过去，对此类冻害的研究多集中 在试样研究和现场测试上；但现场实测和观察，不但耗资巨大，有时也因条件所限变得非常困难。 利用土工离心物理模拟试验能很好地模拟土工结构在几小时到几年或者更长时间范围内由于温度变 化所导致的结果。在实验室内进行冻融离心模拟试验，既有理论意义又具实际意义。 国内冻融离心试验目前属于刚刚起步阶段，由于试验是在高过载环境下进行，且存在热量损失 问题，对该类试验装置的研制带来很大难度，为此，受南京水利科学研究院委托，中国工程物理研 究院总体工程研究所研制了适用于离心过载环境的冻融模拟试验装置，该装置无需外接冷却水源， 即可在离心场下实现冻融过程的物理模拟。 2 热交换方式选择 根据冻融模拟试验要求，该装置需产生大跨度的温度变化环境。其技术指标如下：（1）模型箱容 积 ：700 mm × 450 mm × 350 mm ；（2 ）装置适用的最大加速度为 50 g ；（3 ）热交换温度控制范围 为-40 ℃～30 ℃；（4 ）试验平台为南京水利科学研究院TLJ-60A 型离心机。 试验中需设置一个可根据温度需求对模型提供冷热量传递的热交换系统，以实现试验中对模型 进行降温与升温。热交换系统采取何种方式工作，是冻融离心试验能否成功的关键。 ［2 ］ 一般试验中，可用于产生模型温度变化的方式主要有3 种 ：（1）直接给模型供制冷剂（如：液 氮）和热风；（2 ）模型附近用旋流器供冷热；（3 ）利用半导体热交换器件给模型供冷热。 直接给模型供制冷剂（液氮）属于一次性供给，其工程实现复杂且费用也高。在模型附近利用旋 收稿日期：2017-06- 15 作者简介：赵宝忠（1972- ），男，河北唐山人，高级技师，主要从事离心机结构设计与调试研究。E-mail ：zhaobz@caep.cn — 314 — 自循环水冷却冻融离心模型试验装置研制 赵宝忠 洪建忠 张鸣雷 栗 庆 罗昭宇 余小勇 流器供冷热，受试验平台本身结构限制，只能采用气瓶供气，但供气量有限。 半导体制冷器是利用其核心半导体单元材料的Peltier 效应（帕尔贴效应）。当直流电通过两种不 同半导体材料串联成电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，即达到在电偶两端制冷 和制热的目的。 半导体制冷单元，是一种特种冷源，在技术应用上具有以下优点和