测量地下水渗流速度及温度加热探针性能研究

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1、天津大学硕士学位论文测量地下水渗流速度及温度加热探针性能研究InvestigationonthePerformanceoftheHeatingProbetoMeasuretheSeepageVelocityandTemperature.学科专业：动力工程研究生：郭鑫指导教师：戴传山教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要基于埋入多孔介质内加热球体及圆柱体的混合对流换热特性的研究提出一种新的地下水测温测速方法，建立加热探针混合对流换热机理模型,实验研究了不同流速,不同几何结构、以及不同加热热流等参数条件下的传热与流动特性。本文通过对国内外关于

2、地下水流速测量方法相关文献的调研，总结了现存测量方法的几点不足：(1)没有一种方法可以将温度、流速、流向三个参数进行同时测量；(2)实时性较差，过程较为繁琐，不能时刻监测地下水流动速度的改变;(3)价格较低的测量仪器，精度不高，且测量时间较长，而精度高的测量方法价格昂贵；(4)可回收性差，对地下水造成不可逆的破坏和污染。所以开发一件简单、精度高且价格便宜的测量探针是本文研究的最主要目的。首先本文设计球形探针，采用纹路球外表面覆盖铂丝的方式，通过焦耳效应，达到表面加热的效果。通过实验标定及研究，发现现阶段球形探针所输入最佳电流为0.2A，当电流输

3、入过大时，表面会出现气泡影响测量效果甚至是表面加热丝过载而断裂。实验结果表明，当流道静止时探针表面温度与来流温度的温差要高于流动时的温差，流动状态到静止状态的温升与来流流速成正比例关系，探针的测量流速范围为0.003m/s以上。另外,本文设计了圆柱形探针，采用表面覆盖加热薄膜的方式加热。通过标定实验，得到圆柱探针依然具有测量温度的功能，其中精度最高铂片拟合最大误差为0.04℃；通过设定不同的来流流速、电流条件，划分出不同电流条件下测量流速的有效区域及无效区域，并拟合出分割线方程；通过对采用1.5A电流进行流向及流速实验结果分析，得到以过圆柱圆

4、心的来流流线为对称轴，探针表面位置对称的铂片的实验结果相似，由此判断来流流向，现阶段测量精度为30度；流速实验得到，在探针迎流面上铂片的相对温差与流速成正比例关系，由相对温差匹配测量流速，目前所测量最小流速约为0.0015m/s。最后对原有圆柱探针进行了改进，得到了圆柱支架探针，使被加热流体在流动时更快的从探针表面散失，且对其他铂片无干扰；同样进行了标定实验，得到测量温度的最大误差为0.08℃；圆柱支架探针采用12分区，流动方向测量精度提高到15度；由相对温差匹配来流流速，可测最小流速约0.0005m/s。三种探针结构秉承着简单、快捷及准

5、确的设计理念，能够满足温度、流速、流向三个参数的测量，但仍有不足之处。本文通过实验研究探讨了测量低渗流速度及温度的新方法，对石油开采、地热能开发利用、以及地下污染治理有重要的理论指导意义和应用价值。关键词：渗流测速，多孔介质，测温，球形探针，圆柱探针IABSTRACTAnovelmethodforsimultenouslymeasuringthevelocityandtempuratureofgroundwaterwillbeproposedbasedonthemixedconvectioncharacteristicsofaJouleheat

6、edprobeburiedinporousmedia.Tothisend,acomplicatedmixedconvectionmodelaroundaheatedprobewillbeestablishedaccountingforvariablegeometricalandfluidflowparameter.Firstofall,theshortcomingsofseveralexsitingmeasurementmethodsofseepagevelocityarereviewedandsummaried.Afewconclusions

7、canbedrawnthat(1)Frist,thereisnomethodatpresentthatcansimultaneouslymeasurevelocity,tempuratureanddirectionofgroundwaterflow;(2)themeasurementprocessiscomplicated,incapableofinsituandreal-timemeasurement,andinsensibletothechangeofgroundwaterflowvelocity;(3)Ingeneral,thelowco

8、stinstrumenthasarelativelylowaccuracy,anditsrespondingtimeislong,whileanacc