凍土試驗(yàn)低溫恒溫箱溫度均勻性試驗(yàn)研究

楊高升， 姚曉亮，周攀峰， 耿永明， 張 澤

（1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究所 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；3.亞洲寒區(qū)環(huán)境與工程國(guó)際研究中心，甘肅 蘭州 730000；4.核工業(yè)廣州工程勘察院，廣東 廣州 510800）

凍土試驗(yàn)低溫恒溫箱溫度均勻性試驗(yàn)研究

楊高升1， 姚曉亮2，3，周攀峰4， 耿永明1， 張 澤2，3

（1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究所 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；3.亞洲寒區(qū)環(huán)境與工程國(guó)際研究中心，甘肅 蘭州 730000；4.核工業(yè)廣州工程勘察院，廣東 廣州 510800）

凍土低溫恒溫箱內(nèi)的溫度均勻性對(duì)試驗(yàn)精度至關(guān)重要。為改善凍土試驗(yàn)低溫恒溫箱的溫度均勻性，該文對(duì)放置試樣情況下的低溫恒溫箱進(jìn)行設(shè)有不同形式導(dǎo)流板的多組試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果表明：在低溫恒溫箱內(nèi)放置試樣會(huì)對(duì)箱內(nèi)溫度均勻性產(chǎn)生較大影響，具體表現(xiàn)為上熱下冷、前熱后冷；而在低溫恒溫箱內(nèi)設(shè)置溫度導(dǎo)流板可以有效提升箱內(nèi)溫度均勻性。通過(guò)對(duì)比分析不同形式導(dǎo)流板對(duì)箱體內(nèi)氣流流向的影響，得到一種能夠強(qiáng)制箱體內(nèi)氣流在試樣周圍均勻分布的導(dǎo)流板形式。試驗(yàn)結(jié)果顯示：該導(dǎo)流板能夠?qū)⒉煌瑴囟缺O(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度差異控制在溫度均值的±0.2℃以內(nèi)，能夠滿足凍土試驗(yàn)的溫度均勻性要求。

低溫恒溫箱；溫度均勻性；導(dǎo)流板；低溫恒溫試驗(yàn)

0 引 言

低溫恒溫箱是人工模擬氣候環(huán)境試驗(yàn)的重要設(shè)備。隨著科技發(fā)展，低溫恒溫箱已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、軍事、科研等諸多領(lǐng)域。在凍土試驗(yàn)中，由于控制低溫的需要，低溫恒溫箱扮演著重要的角色。目前國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用低溫恒溫箱進(jìn)行了許多凍土試驗(yàn)研究。Zhang等[1]在自行改裝的低溫恒溫箱內(nèi)進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)，在裝土樣的有機(jī)玻璃容器罐側(cè)面布設(shè)溫度傳感器，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中土樣的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Akagawa等[2]采用低溫恒溫箱進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究?jī)鋈谧饔脤?duì)其過(guò)程中孔隙水壓力的影響。劉世偉等[3]對(duì)低溫恒溫箱改裝后，用其完成了恒載變溫和恒溫變載壓縮試驗(yàn)，研究高溫凍土中孔隙水壓力變化與變溫和加載的關(guān)系。馬小杰等[4]在自行研制的低溫恒溫箱內(nèi)對(duì)高溫高含冰量?jī)鼋Y(jié)黏土進(jìn)行了單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)研究。蘇凱等[5]采用風(fēng)冷控制的低溫恒溫箱對(duì)高含冰量土樣進(jìn)行了恒溫加載試驗(yàn)，研究高溫高含冰量?jī)鐾恋膲嚎s變形特征，其中溫度傳感器分別設(shè)置在恒溫箱的頂部與底部。Zhang等[6]對(duì)低溫恒溫箱進(jìn)行改裝后，在其內(nèi)部對(duì)高溫飽和土樣進(jìn)行恒載變溫試驗(yàn)，研究高溫飽和凍土中孔隙水壓力與溫度的關(guān)系。李海鵬等[7]在自行研制的低溫恒溫箱內(nèi)對(duì)不同干密度飽和凍結(jié)黏土在各種溫度及應(yīng)變速率條件下進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變速率、破壞時(shí)間、溫度及干密度的關(guān)系。馬小杰等[8]采用中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的低溫恒溫箱對(duì)不同含水量的黏土進(jìn)行各種溫度條件下的單軸壓縮試驗(yàn)，研究抗壓強(qiáng)度與溫度及含水率之間的關(guān)系。李洪升等[9]將制備好的矩形試樣放在恒溫箱內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行不同應(yīng)變速率的單軸壓縮試驗(yàn)，研究分析凍土抗壓強(qiáng)度的應(yīng)變速率敏感性及其規(guī)律。趙淑萍等[10]采用低溫恒溫箱對(duì)凍結(jié)粉土進(jìn)行了動(dòng)、靜蠕變單軸壓縮試驗(yàn)，研究?jī)鐾恋膭?dòng)、靜蠕變的應(yīng)變、蠕變速率以及蠕變破壞特征。劉增利等[11]采用低溫恒溫箱對(duì)飽和與非飽和蘭州黃土試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并基于計(jì)算機(jī)層析掃描技術(shù)（CT）對(duì)其單軸壓縮過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，研究飽和凍土與非飽和凍土的破壞形式。

在以上的研究中，研究者大都基于廠家提供的恒溫箱溫度均勻性來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，即在恒溫箱空載條件下得到的恒溫箱內(nèi)溫度的均勻性。但對(duì)恒溫箱內(nèi)放入試樣以及相應(yīng)的試驗(yàn)裝置引起的溫度差異并未做相應(yīng)考慮。恒溫箱內(nèi)放置試樣后會(huì)極大地改變?cè)袣饬鞯牧飨颍鄳?yīng)的箱體內(nèi)部溫度均勻性也會(huì)隨之改變，這將進(jìn)一步降低箱體內(nèi)的溫度均勻性[12]。由于凍土是溫度敏感性材料，較低的溫度均勻性會(huì)進(jìn)一步增大凍土力學(xué)試驗(yàn)的離散性。有鑒于此，本文對(duì)放置試樣情況下的低溫恒溫箱進(jìn)行了不同形式溫度導(dǎo)流板的多組試驗(yàn)，對(duì)比分析試驗(yàn)結(jié)果研究箱內(nèi)設(shè)置不同種類導(dǎo)流板對(duì)溫度均勻性的影響，并提出能夠得到最優(yōu)溫度均勻性的導(dǎo)流板形式。

1 低溫恒溫試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)安排

本次試驗(yàn)是在中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室研制的低溫恒溫箱內(nèi)完成。溫度采集用Campbell公司生產(chǎn)的CR3000數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘采集一次，以觀察低溫恒溫箱內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程以及內(nèi)部溫度均勻性。

為了深入研究在低溫恒溫箱內(nèi)設(shè)置不同形式溫度導(dǎo)流板對(duì)箱內(nèi)溫度均勻性的影響，本次試驗(yàn)分3組作為對(duì)比進(jìn)行研究。第1組：直接將試樣放置在恒溫箱內(nèi)，并分別在其四周布設(shè)溫度傳感器，其中溫度傳感器1～5依次布設(shè)在試樣的上部、下部、中部、前面和后面，具體如圖1所示；第2組：在第1組的基礎(chǔ)上在低溫恒溫箱的進(jìn)風(fēng)口中間及試樣后沿設(shè)置溫度導(dǎo)流板1，具體如圖2所示；第3組：在恒溫箱進(jìn)風(fēng)口的上部及出風(fēng)口的下部設(shè)置溫度導(dǎo)流板2，并在溫度導(dǎo)流板2（b）上設(shè)置如圖4所示的溫度導(dǎo)流孔，具體如圖3所示。在上述準(zhǔn)備工作完畢后，設(shè)置目標(biāo)溫度-5℃，等待其自動(dòng)降溫。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過(guò)程大約6h，低溫恒溫箱內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度并保持恒定。3組試驗(yàn)在試驗(yàn)過(guò)程中各溫度傳感器所采集的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理后，其每小時(shí)的實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度如表1～表3所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了3組試驗(yàn)的溫度傳感器1～5隨時(shí)間降溫并達(dá)到恒定的過(guò)程，具體如圖5～圖7所示。

圖1 低溫恒溫箱及試樣放置示意圖

圖2 低溫恒溫箱及溫度導(dǎo)流板1布設(shè)示意圖

由表1及圖5可以看出，當(dāng)直接把試樣放置在低溫恒溫箱內(nèi)時(shí)（無(wú)導(dǎo)流板），箱內(nèi)溫度均勻性很差，具體表現(xiàn)為上熱下冷、前熱后冷，6h時(shí)的最高及最低溫度分別出現(xiàn)試樣前監(jiān)測(cè)點(diǎn)與試樣后監(jiān)測(cè)點(diǎn)，溫差接近3℃。根據(jù)表1計(jì)算得到第一組試驗(yàn)在第6 h時(shí)，5個(gè)溫度傳感器的溫度均值為-4.124℃，均方差為1.452℃。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：在無(wú)溫度導(dǎo)流板的情況下，箱體內(nèi)氣流的流動(dòng)路線大致如圖8所示。在沒(méi)有導(dǎo)流板的情況下，箱體內(nèi)大部分冷氣在出風(fēng)口的吸力作用下無(wú)法經(jīng)過(guò)試樣頂端，在經(jīng)過(guò)土樣底端和中部以后直接進(jìn)入出風(fēng)口。因此會(huì)出現(xiàn)上熱下冷、前熱后冷的情況。

圖3 低溫恒溫箱及溫度導(dǎo)流板2布設(shè)示意圖

圖4 溫度導(dǎo)流板2（b）詳圖

圖5 不設(shè)置溫度導(dǎo)流板的溫度變化

表1 不設(shè)置溫度導(dǎo)流板的溫度變化

表2 設(shè)置溫度導(dǎo)流板1的溫度變化

表3 設(shè)置溫度導(dǎo)流板2的溫度變化

圖6 設(shè)置溫度導(dǎo)流板1的溫度變化

圖7 設(shè)置溫度導(dǎo)流板2的溫度變化

圖8 不設(shè)置溫度導(dǎo)流板的低溫恒溫箱內(nèi)的氣流流向簡(jiǎn)圖

結(jié)合表2與圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在放置試樣的低溫恒溫箱的進(jìn)風(fēng)口處及試樣后沿設(shè)置溫度導(dǎo)流板1后，箱內(nèi)溫度均勻性較第1組試驗(yàn)結(jié)果提升許多，但仍然表現(xiàn)為前熱后冷。6h時(shí)，布設(shè)在試樣前的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)較試樣后監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度高約0.6℃。根據(jù)表2，計(jì)算得到第2組試驗(yàn)在第6h時(shí)，5個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度均值為-4.592℃，均方差為0.145℃。對(duì)比表1與表2及圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn)：在低溫恒溫箱內(nèi)設(shè)置溫度導(dǎo)流板1可以引導(dǎo)箱內(nèi)冷氣流向，能夠有效的提升低溫恒溫箱內(nèi)溫度均勻性，但仍存在前熱后冷的情況。當(dāng)在恒溫箱內(nèi)設(shè)置溫度導(dǎo)流板1后，箱體內(nèi)氣流的流動(dòng)路線大致如圖9所示。箱體內(nèi)冷氣大多數(shù)匯集在試樣后方。因此依然會(huì)造成前熱后冷的情況。

圖9 設(shè)置溫度導(dǎo)流板1的低溫恒溫箱內(nèi)的氣流流向簡(jiǎn)圖

圖10 設(shè)置溫度導(dǎo)流板2的低溫恒溫箱內(nèi)的氣流流向簡(jiǎn)圖

由表3與圖7可以看出，在放置試樣的低溫恒溫箱的進(jìn)風(fēng)口上部及出風(fēng)口下部設(shè)置溫度導(dǎo)流板2后，箱內(nèi)溫度均勻性較為理想，根據(jù)表3計(jì)算得到第3組試驗(yàn)在第6 h時(shí)，5個(gè)溫度傳感器的溫度均值為-4.91℃，均方差為0.016℃，該導(dǎo)流板能夠?qū)⒉煌瑴囟缺O(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度差異控制在溫度均值的±0.2℃以內(nèi)。凍土力學(xué)試驗(yàn)在溫控方面目前對(duì)溫度差異性指標(biāo)無(wú)統(tǒng)一規(guī)范，以往研究均以0.5℃作差異性控制指標(biāo)，因此本文的系統(tǒng)滿足凍土試驗(yàn)要求。對(duì)比表2與表3及圖6與圖7可以看出：相比第2組試驗(yàn)，在放置試樣的低溫恒溫箱內(nèi)設(shè)置溫度導(dǎo)流板2后，箱內(nèi)溫度均勻性較好。分析實(shí)驗(yàn)3的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)在恒溫箱內(nèi)設(shè)置溫度導(dǎo)流板2后，箱體內(nèi)氣流的流動(dòng)路線大致如圖10所示，冷氣在試樣四周均勻分布。

以上3組試驗(yàn)表明，在低溫恒溫箱內(nèi)放入試樣會(huì)極大地改變箱體內(nèi)的溫度均勻性。可以通過(guò)在箱體內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板強(qiáng)制改變箱體內(nèi)氣流流向的方法來(lái)提高溫度均勻性，從而保證凍土力學(xué)試驗(yàn)精度，降低試驗(yàn)結(jié)果的離散性。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)放置試樣情況下的低溫恒溫箱進(jìn)行了不同樣式溫度導(dǎo)流板的多組試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

1）在低溫恒溫箱內(nèi)放置試樣對(duì)箱內(nèi)溫度均勻性影響很大，具體表現(xiàn)為試樣上熱下冷、前熱后冷。

2）在低溫恒溫箱內(nèi)設(shè)置溫度導(dǎo)流板可以有效的提升箱內(nèi)溫度均勻性，在恒溫箱進(jìn)風(fēng)口的上部及出風(fēng)口的下部設(shè)置溫度導(dǎo)流板2，箱內(nèi)溫度均勻性可以達(dá)到較好效果，能夠滿足凍土力學(xué)試驗(yàn)要求。

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（編輯：莫婕）

Experimental study on temperature uniformity of low temperature incubator in frozen soil test

YANG Gaosheng1， YAO Xiaoliang2，3， ZHOU Panfeng4， GENG Yongming1， ZHANG Ze2，3
（1.School of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China；2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Enviroment and Resources，CAS，Lanzhou 730000，China；3.International Research Center for Asia Cold-regions Environment and Engineering，Lanzhou 730000，China；4.Guangzhou Academy of Nuclear Engineering Investigation，Guangzhou 510800，China）

Temperature uniformity in low temperature incubator （LTI） is significant for the testing precision of frozen soils.To improve the temperature uniformity of LTI for the frozen soil test，several groups of experiments on LTI with specimen with different guide vanes forms were conducted.The experiment results show that temperature uniformity is greatly influenced by the specimen in the LTI， i.e.， temperature on the specimen top and front is higher than that of bottom and back side.After setting guide vanes in LTI，the temperature uniformity was improved greatly.By analyzing the influence of different forms of guide vanes on airflow direction，this paper obtained an optimized form of guide vanes which forces the airflow distributing uniformly surround the specimen.The test results show that the guide vanes can control the temperature difference at different temperature monitoring points within ±0.2℃ of average temperature， and which fulfills the temperature requirements of frozen soil tests.

low temperature incubator； temperature uniformity； guide vanes； low-constant temperature test

A

1674-5124（2017）09-0134-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.024

2017-05-28；

2017-07-03

國(guó)家自然科學(xué)基金（41671061）

楊高升（1991-），男，山西朔州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)楹畢^(qū)巖土工程。

姚曉亮（1982-），男，甘肅定西市人，副研究員，博士，主要從事寒區(qū)巖土工程方面的研究。