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）

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）

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。

冻融离心模型；自循环水冷；半导体制冷

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。

一般试验中，可用于产生模型温度变化的方式主要有3种［2］：（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特点：（1）无制冷剂可连续工作，工作时无震动和噪音且寿命长；无污染源、无旋转部件和无滑动部件，是一种固体元件，适合离心场下安装使用。（2）半导体制冷单元具有两种功能，既能制冷，又能加热，因此使用一个元件就可以代替两个独立的加热元件和制冷元件。一件多用的特性符合冻融离心试验提供冷热温度变化需求。（3）半导体制冷单元是电流换能型元件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控和计算机控制，便于组成自动控制系统。（4）半导体制冷元件热惯性小，制冷制热时间快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电约1分钟，制冷单元就能达到最大温差。有利于缩短试验时间，提高试验效率。（5）半导体制冷单元的单个元件功率很小，但用同类型的电堆串、并联的方法组合成热交换系统，制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。温差范围，从90℃到-130℃都可以实现，满足试验对温度变化要求。因而采用半导体制冷器组成的热交换系统来给模型提供冷热变化。

3 冻融离心模型试验装置设计

整个装置主要由冻融模型箱、热交换系统和自循环冷却系统（包含水箱、水泵、风冷散热器、管路）等部分组成［3］，见图1。

图1 安装于试验平台上的冻融试验装置

3.1 冻融模型箱设计冻融离心试验模型箱应具备良好保温性能，用以降低试验中的温度损失，保证试验顺利进行，同时降低热交换系统的能耗。因而将冻融模型箱设计成具有内箱、外箱及中间层的结构，内箱由热传导率低的材料构成，外箱由金属材料（常温条件下模型箱）制成，用于固定、支撑内箱；内、外箱之间的中间层则由保温材料构成，以增强模型箱整体的保温性能。模型箱下部设计有避免温度损失的排水孔结构，见图2。

为避免热交换系统与外模型箱直接接触导致热量损失，将保温材料、热交换系统等构件进行合理排布。

（1）内箱。为具有一定的保温性和支撑作用，采用热传导系数较低、厚度25 mm有机玻璃板制作内箱，各板之间紧固联接后涂抹密封胶，形成750 mm×450 mm×350 mm的内腔。

（2）保温层。在内、外箱之间留50 mm的间隙，填充保温材料（如聚四氟乙烯），并在间隙内用木方进行内、外箱之间的支撑和固定，防止在离心场下，内箱受到土模型作用出现变形、开裂。

图2 冻融模型箱示意

（3）外箱。外箱采用普通碳素钢焊接而成，以实现模型箱整体的安装、固定及对内箱的支撑等。另外，其结构还考虑了与热交换系统的安装接口等。

3.2 热交换系统设计热交换系统是由一块铝质换热底板与聚甲醛箱板形成外形尺寸为850 mm×450 mm×140 mm的密封箱体。根据内箱容积（决定制冷量）与温度控制范围要求，确定采用二级半导体制冷器件。在换热板的内表面均匀安装12个热功率约300 W的半导体致冷器件。并根据实验要求，预留了位移传感器安装孔，供试验测试使用。

热交换系统箱体内填满保温颗粒，减缓制冷器与外界之间的热量交换过程，从而起到保温作用。整个热交换系统安装在模型箱顶层，镶嵌于木方及保温层内形成的止口内，并与外模型箱隔离，以防止热量大量流失，如图3所示。

图3 热交换系统

制冷器底部与换热板接触的一端排布有很多半导体单元，其与换热板之间涂有导热硅脂，以保证温度稳定传递。制冷器的另一端设置有铜质的水冷散热结构，并留有进出水管接头。制冷器结构示意如图4所示。热交换系统的制冷器分为两组，6个一组，每组共用进出水管。

3.3 自循环水冷却系统设计半导体制冷器是一种温差器件，对半导体通电，器件一端制冷另一端就会产生热量，当冷端和热端达到一定温差，相互间传递的热量相等时，就会达到热平衡。此时冷、热端的温度不再变化。为实现更大制冷（热）量，需采用辅助手段降低热端温度（或提高冷端温度），以达到持续调节温度的目的。本装置中，设计了水冷却系统降低热端温度，从而得到持续的降温效果。

由于TLJ-60A型离心机设备本身不具有与地面相连的水循环结构（如旋转接头），故热交换系统采用在转臂上增加由水箱和水泵组成的自循环水进行冷却。自循环水能否有效带走制冷器产生的热量，是试验温度能否成功降至-40℃的关键。

图4 制冷器结构示意

冷却水箱安装在离心机转臂上，水箱采用不锈钢材料焊接成形。水箱设有进出水口，为满足离心场下供水需求，特配置二组微型高压水泵，单个水泵可产生最大输出压力1.1 MPa和出口7 L/min的流量，通过辅助管路与制冷器进出水口相连，形成自循环水冷却。

由于水箱容积有限（约50 L），制冷器的总产热功率约3 600 W，长时间工作时，循环水因自身温度的逐渐升高而冷却能力降低，就无法满足后期的降温要求。为解决此问题，在自循环回路中配置一组功率适当的风冷散热器，并使散热叶片迎风面与离心机转动方向一致，这样就可以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，使循环系统水温始终保持在允许范围内，以满足控温需求。

自循环冷却系统由水箱、高压水泵、风冷散热器、供回水管路等系统组成，如前面图1所示。

4 冻融离心模型试验装置测试

冻融离心模型试验前，按土工离心试验模型制作要求在冻融模型箱内制作试验土工模型，确保土工模型顶部与热交换系统底部的换热板之间距离在10～100 mm范围内。

将热交换系统安装在冻融模型箱顶部，并通过热交换系统传感器安装孔固定位移传感器。

将冻融模型箱整体安装于离心机吊篮内，并将热交换系统的制冷器分别与控制系统、自循环水冷却系统连接。启动热交换系统并在-40℃～30℃范围内设定冻融模型装置工作温度；根据试验计划在1 g～50 g范围内设定离心机运行曲线，并启动离心机及数采系统。自循环水冷却冻融离心模型试验装置50 g试验数据见表1［4］。

表1 50g冻融离心模型制冷试验

5 结语

自循环水冷却冻融离心模型试验装置，设计的半导体热交换器和双层结构冻融模型箱为试验模型提供温度场调节环境，同时利用离心机高速旋转时空气快速流动的特点，设计了风冷散热器、水箱、水泵等构件组成自循环水冷却系统，克服设备自身无水源限制条件，实现了热交换系统产生足够温度变化的能力，其测试指标优于技术预期。

［1］ 陈湘生，濮家骝，殷昆亭，等.地基冻-融循环离心模型试验研究［J］.清华大学学报：自然科学版，2002，42（4）：531-534.

［2］ 陈湘生.人工冻结粘土力学及冻土地基离心模型试验［D］.北京：清华大学，1999.

［3］ 赵宝忠，张鸣雷.冻融离心模型试验系统研制工作总结报告［R］.锦阳：中国工程物理研究院总体工程研究所，2014.

［4］ 赵宝忠，张鸣雷.冻融离心模型试验系统验收测试报告［R］.锦阳：中国工程物理研究院总体工程研究所，2014.

Abstract：The developing of the frost heave and thaw settlement test equipment is still in the starting peri⁃od at home yet.Based on the Peltier Effect of semiconductor material，the paper designed a heat exchang⁃ing system which was installed in a two-layer frost heave and thaw settlement sample box and achieved the goal for frost heave and thaw settlement temperature changing.And also designed is the self-circulating water cooling system built up with water box，pump and wind cooling heat radiator for the lack of ground supported cooling water in the centrifuge，which cooled the self-circulating water by the wind velocity differ⁃ence of the revolving centrifuge arm with the environment and achieved the frost heave and thaw settlement centrifuge test without ground supported water.The frost heave and thaw settlement centrifuge test result show that the equipment can meet the test requirements.

Keywords：frost heave and thaw settlement centrifuge-model；self-circulating water cooling；semiconductor cooling

（责任编辑：王成丽）

The development of frost heave and thaw settlement centrifuge modeling test equipment by cooling with self-circulating water

ZHAO Baozhong，HONG Jianzhong，ZHANG Minglei，LI Qing，LUO Zhaoyu，YU Xiaoyong
（The Institute of Systems Engineering CAEP，Mianyang Sichuan China 621000，China）

TH122

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2017.04.012

1672-3031（2017）04-0314-05

2017-06-15

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