本实验装置中哪些是系统

① 卢瑟福背散射实验的实验原理

现从卢瑟福核式模型出发，先求α粒子散射中的偏转角公式，再求α粒子散射公式。
1．α粒子散射理论
（1）库仑散射偏转角公式
设原子核的质量为M，具有正电荷+Ze，并处于点O，而质量为m，能量为E，电荷为2e的α粒子以速度 入射，在原子核的质量比α粒子的质量大得多的情况下，可以认为前者不会被推动，α粒子则受库仑力的作用而改变了运动的方向，偏转 角，如图3.3-1所示。图中 是α粒子原来的速度，b是原子核离α粒子原运动径的延长线的垂直距离，即入射粒子与原子核无作用时的最小直线距离，称为瞄准距离。
图3.3-1 α粒子在原子核的库仑场中路径的偏转
当α粒子进入原子核库仑场时，一部分动能将改变为库仑势能。设α粒子最初的的动能和角动量分别为E和L，由能量和动量守恒定律可知：
（1）
（2）
由（1）式和（2）式可以证明α粒子的路线是双曲线，偏转角θ与瞄准距离b有如下关系：
（3）
设 ，则
（4）
这就是库仑散射偏转角公式。
（2）卢瑟福散射公式
在上述库仑散射偏转公式中有一个实验中无法测量的参数b，因此必须设法寻找一个可测量的量代替参数b的测量。
事实上，某个α粒子与原子散射的瞄准距离可大，可小，但是大量α粒子散射都具有一定的统计规律。由散射公式（4）可见， 与b有对应关系，b大， 就小，如图3.3-2所示。那些瞄准距离在b到 之间的α粒子，经散射后必定向θ到 之间的角度散出。因此，凡通过图中所示以b为内半径，以 为外半径的那个环形 的α粒子，必定散射到角 到 之间的一个空间圆锥体内。
图3.3-2 α粒子的散射角与瞄准距离和关系
设靶是一个很薄的箔，厚度为t，面积为s，则图3.3-1中的 ，一个α粒子被一个靶原子散射到方向范围内的几率,也就是α粒子打在环 上的概率,即
(5)
若用立体角 表示,
由于
则有
(6)
为求得实际的散射的α粒子数，以便与实验进行比较，还必须考虑靶上的原子数和入射的α粒子数。
由于薄箔有许多原子核,每一个原子核对应一个这样的环,若各个原子核互不遮挡,设单位体积内原子数为 ,则体积 内原子数为 ，α粒子打在这些环上的散射角均为 ，因此一个α粒子打在薄箔上，散射到 方向且在 内的概率为 。
若单位时间有n个α粒子垂直入射到薄箔上，则单位时间内 方向且在 立体角内测得的α粒子为：
（7）
经常使用的是微分散射截面公式，微分散射截面
其物理意义为，单位面积内垂直入射一个粒子（n=1）时，被这个面积内一个靶原子（ ）散射到 角附近单位立体角内的概率。
因此，
（8）
这就是著名的卢瑟福散射公式。
代入各常数值，以E代表入射 粒子的能量，得到公式：
（9）
其中， 的单位为 ，E的单位为MeV。
1．卢瑟福理论的实验验证方法
为验证卢瑟福散射公式成立，即验证原子核式结构成立，实验中所用的核心仪器为探测器。
设探测器的灵敏度面对靶所张的立体角为 ，由卢瑟福散射公式可知在某段时间间隔内所观察到的α粒子总数 应是：
（10）
式中 为该时间 内射到靶上的α粒子总数。由于式中等都是可测的，所以（10）式可和实验数据进行比较。由该式可见，在上方面内所观察到的α粒子数与散射靶的核电荷 ，α粒子动能及散射角等因素都有关。
对卢瑟福散射公式（9）或（10），可以从以下几个方面加以验证。
（1） 固定散射角，改变金靶的厚度，验证散射计数率与靶厚度的线性关系 。
（2） 更换α粒子源以改变α粒子能量，验证散射计数率与α粒子能量的平方反比关系 。
（3） 改变散射角，验证散射计数率与散射角的关系 。这是卢瑟福散射击中最突出和最重要的特征。
（4） 固定散射角，使用厚度相等而材料不同的散射靶，验证散射计数率与靶材料核电荷数的平方关系 。由于很难找到厚度相同的散射靶，而且需要对原子数密度 进行修正，这一实验内容的难度较大。
本实验中，只涉及到第（3）方面的实验内容，这是对卢瑟福散射理论最有力的验证。
3．卢瑟福散射实验装置
卢瑟福散射实验装置包括散射真空室部分、电子学系统部分和步进电机的控制系统部分。实验装置的机械结构如图3.3-3所示。
图3.3-3 卢瑟福散射实验装置的机械结构
（1）散射真空室的结构
散射真空室中主要包括有 放射源、散射样品台、 粒子探测器、步进电机及转动机构等。放射源为 或 源， 源主要的 粒子能量为 ， 源主要的 粒子能量为 。
（2）电子学系统结构
为测量 粒子的微分散射截面，由式（9），需测量在不同角度出射 粒子的计数率。所用的 粒子探测器为金硅面垒Si(Au) 探测器， 粒子探测系统还包括电荷灵敏前置放大器、主放大器、计数器、探测器偏置电源、NIM机箱与低压电源等。
（3）步进电机及其控制系统
在实验过程中，需在真空条件下测量不同散射角的出射 粒子计数率，这样就需要经常地变换散射角度。在本实验装置中利用步进电机来控制散射角 ，可使实验过程变得极为方便。不用每测量一个角度的数据便打开真空室转换角度，只需在真空室外控制步进电机转动相应的角度即可；此外，由于步进电机具有定位准确的特性，简单的开环控制即可达到所需精确的控制。 E.卢瑟福等人所做，又称卢瑟福α粒子散射实验。J.J.汤姆孙发现电子揭示了原子具有内部结构后，1903年提出原子的葡萄干圆面包模型，认为原子的正电荷和质量联系在一起均匀连续分布于原子范围，电子镶嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振动。
1909年卢瑟福的助手H.盖革和E.马斯登在卢瑟福建议下做了α粒子散射实验，用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小 ，但有少数α粒子发生角度比汤姆孙模型所预言的大得多的偏转，大约有1/8000 的α粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射，更无法用汤姆孙模型说明。1911年卢瑟福提出原子的有核模型，与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核，电子绕着核在核外运动，由此导出α粒子散射公式，说明了α粒子的大角散射。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为10-14米。此实验开创了原子结构研究的先河。 实验结果表明，绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，这就是α粒子的散射现象。

② 在燃烧热的测定实验中哪些是体系哪些是环境

有。体系：内筒水，氧弹，温度计，内筒搅拌器。环境：外筒水。

①检验多功能控制器数显读数是否稳定。熟习压片和氧弹装样操作，量热计安装注意探头不得碰弯，温度与温差的切换功能键钮，报时及灯闪烁提示功能等。

②干燥恒重苯甲酸(0.9~1.2g)和萘(0.6~0.8g)压片，注意紧实度，分析天平称样。

③容量瓶量取3000mL水，调节水温低于室温1K。

(2)本实验装置中哪些是系统扩展阅读：

燃烧热应指明相应的燃烧反应的热化学方程，其中反应物和产物都要标明它的状态，方程中的系数表示物质的摩尔数。按热力学规定，放热反应的热效应为负值。例如:H2(气，1大气压,25℃)+0.5O2(气,1大气压,25℃)=H2O(液，1大气压，25℃)，ΔH懢=-285.830±0.042千焦/摩尔。

热力学中采用标准态作为参考态。标准态的燃烧热用ΔH懢或ΔU懢表示。标准态的燃烧反应是一个理想的过程，其反应物和产物分别处在各自的热力学标准态（见标准热力学函数）。

③ 在燃烧热的测定实验中，那些是体系，哪些是环境实验过程中有无热损耗

有。体系：内筒水，氧弹，温度计，内筒搅拌器。环境：外筒水。

燃烧热是1摩尔物质专完全燃烧时所放出的热量。属在恒容条件下测得的燃烧热为恒容燃烧热（ov），恒容燃烧热这个过程的内能变化（δu）。在恒压条件下测得的燃烧热为恒压燃烧热（qp），恒压燃烧热等于这个过程的热焓变化（δh）。

热量的散失仍然无法完全避免，这可以是同于环境向量热计辐射进热量而使其温度升高，也可以是由于量热计向环境辐射出热量而使量热计的温度降低。因此燃烧前后温度的变化值不能直接准确测量，而必须经过作图法进行校正。

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注意事项：

数据处理中用雷诺法校正温差，观测燃烧前后的一系列水温和时间的观测值误差，造成校正曲线的不准确，从开始燃烧到温度上升至室温这一段时间△t1内，由环境辐射和搅拌引进的能量所造成的升温,故应予扣除。

由室温升到最高点这一段时间△t2内，热量计向环境的热漏造成的温度降低，计算时必须考虑在内扣除不合适会造成误差。

④ 现代实验室系统包括哪些部分各有何作用和要求

实验室根据使用情况不同，里面所需要的功能跟系统都会有所要求的，参考以下实验室系统的详细介绍：
一、实验室通风系统：实验室通风系统与室内空调系统的通风设计的要求不同，主要的目的是提供安全、舒服的工作环境，减少人员暴露在危险的空气下，通风主要的目是解决实验人员的身体健康和劳动保护问题。
二、实验室建筑空调与洁净系统：实验室建筑与普通的建筑是有区别的，不同的实验室对温度、温度、压强、洁净度等参数有不同的要求，而且不同的实验室之间的气流不能交叉污染，实验区的气流不能流向办公区，因些实验建筑空调系统的要求比普通建筑的要求复杂很多，按布置方式不同可分为分散型空调系统、集中型空调系统及局部集中型空调系统。
三、实验室环保系统：在化学实验室进行实验时会使用化学药品，实验过程中发生的化学反应会产生废气、废液、固体废物，对环境造成污染。近年来，随着人们环保意识和法律意识的增强，化学实验室的污染问题备受关注。为了降低实验室对环境的污染，应把实验室环保系统纳入实验室设计与建设中，从而有利于实验室环境污染的防预措施，在保证实验效果的前提下，用无害、没有污染或低害、低亏染的试剂替代毒性较强的试剂，在一些特定实验要用到较高的化学试剂时，一定要用封闭的收集桶收集废液。
四、实验室气体管道系统：实验室的气体的供应不同于一般工厂的要求，首先表现在仪器设备对气体的纯度要求较高，一般工作气体要求达到99.999%以上，其次气体的供应连续，输出压力平稳，气体的压力波动可能导致仪器设备没有办法正常工作，气体的不连续供应甚至可能导致仪器设备故障，因此实验室气体管路的设计是较为严格的。
五、实验室给排水系统：包括实验给水系统、生活给水系统和消防给水系统。实验给水系统分为一般实验用水与实验用纯水，实验室纯水系统属于单独的给水系统，生活给水系统和消防给水系统与一般建筑的给水系统一致。
不同的实验室对实验用水有不同的要求，通常进行强酸、强碱、剧毒液体的实验并有飞溅爆炸的实验室，就近设置应急喷淋施，应急眼睛冲洗器。无菌室和放射性实验室配热水淋浴装置。
污染区的用水需要通过断流水箱，室内消火栓应设置在清洁区内，给水系统的管道入口通常应设置洁净区，采用上行下给式给水管网，以免扩散污染。
室内消防给水系统包括普通消防系统、自动喷洒消防给水系统和水幕消防给水系统等。实验楼，库房等建筑物在必要时应设立室外消防给水系统，由室外消助给水管道。
六、实验室纯水系统：在当今的实验室中，水环境作为绝大数实验室的基本环境，在实验中占的地位非常重要，水质往往决定了很多实验结果的真实性、可重复性，对多数做实验的专家来说，他们通常要纯水中的杂质和化合物的浓度在b级，甚至更低。

七、实验室供电系统：实验室建筑内部有各种类型的实验室及仪器设备，供电系统除了维持实验室特定的环境用电外，还要满足现有及未来增加的各种仪器的特殊用电要求，对于离心机、层析冷柜、低温冰箱带压缩机之类的仪器，它们]的电机启动所需要的电流往往是工作电流的数倍，在启动瞬间往往会影响该线路的电压波动，如果接在该线路上所用的大功率仪器较多，就会引起仪器工作不正常。
所以，对实验建筑供电系统的设计，除了要预留足够的富余电量以满足未来发展的需要，还需要提供不间断的稳压电源，基于实验室的与众不同，实验室建筑的供电系统从电源、线路、照明、安全等各方面都有其独特性实验建筑的用电量通常是现有用电量的2倍。

八、实验建筑智能化系统：实验室智能化不仅是一种技术，更是一种理念，一种潮流，它是将实验室世界带入一个崭新的时候 ，改变人们观念，影响人们的工作方式，实验建筑智能化系统包括楼宇自控系统，信息管理系统，办公自动化系统，综合布线系统，安全防范系统，火灾自动报警系统和停车场管理系统。
九、实验室安全防护系统：实验室是科技的摇篮，实验室安全防护系统是保证实验室安全的前提条件，是为了将实验室潜在的职业危险降至较低，以创造健康安全的工作环境。保护对象包括人员的安全、样品的安全、仪器的安全、运行系统的安全及环境的安全、实验室安全防护系统包括实验室硬件建设与软件管理。
十、实验室管道系统：实验建筑内有各种共用设施管道很多，在一般小型实验室内常见的管道有水管、风管、电线管和煤气管，在大型实验室或特殊实验室内还有压缩空气、蒸汽、氢气、氧气、真空、蒸馏水、空调、网络等管道，管道系统的布置原则是既要保证使用安全，方便安装，检修、改装和增添，又要尽量使各种管线短捷经济合理和美观。

⑤ 实验室设备包括哪些

1、实验台：板抄式中央袭台 钢木单边实验台、全钢中央台、水斗台、天平台;

2、实验台面板：环氧树脂台面、陶瓷板台面、耐蚀理化板台面、千思板;

3、通风柜系列 ：板式通过风柜、钢木通风柜、新型全钢通风柜、落地式全钢通风柜;

4、柜体系列;试剂柜、器皿柜、气瓶柜、安全柜、更衣柜、鞋柜;

5、试剂架：板式试剂架、钢玻中央试剂架、德式试剂架、防水插座、实验凳;

6、实验室专业水斗系列：洗眼器、紧急冲淋器、实验室专用水龙头、实验室专用考克系列;

7、实验室通风系统：原子吸气罩、万向抽气罩;

8、办公隔断系列：办公桌、办公椅。

(5)本实验装置中哪些是系统扩展阅读

实验室的归属分类：

1、第一类是树立在大学里面，从属于大学或者是由大学代管的实验室。

2、第二类实验室属于国家机构，有的甚至是国际机构。它们大多从事于基本计量，高精尖项目，超大型的研究课题，和国防军事等任务。

3、第三类实验室直接归属于工业企业部门，为工业技术的开发与研究服务。

参考资料

网络-实验室设备

⑥ 燃烧热的测定实验中，装置中哪部分是燃烧反应体系燃烧反应体系的温度和温度变化能否被测定为什么

答：在本实验装置中，氧弹的内部是被测物质的燃烧空间，也就是燃烧反应体系。由内于做燃烧实验时要在氧弹中充入容高压的氧气，燃烧瞬间将产生高温，这样就无法将温度计（或温差计）直接插入到高压氧弹中或者因为温度计无法承受高压或高温，另外温度计是玻璃或金属外壳，在氧弹外面也无法与氧弹紧密接触，或者有的温度计（如热电偶）达不到测量精度，所以很难对燃烧反应体系进行温度或温度差的测量。

⑦ 固体比热容比的测定误差来源有哪些,哪些属于系统误差,哪些属于随机误差

按图6所示安装实验装置，用加热盘对标准样品加热，同时监视加热温度，达65.0℃停止加热.并将加热盘移开，使样品自然冷却，同时开始记录温度T1和对应时间t1.初始时由于样品温度与室温差别较大，降温较快，所以记录点要略密些.随着样品降温，温差变小，变化缓慢，记录时间间隔可加大.当温度约为40℃时，停止测量.(3) 测量待测样品的冷却曲线实验步骤同上.注意实验条件要与前者相同.本实验只要求测量一组数据.计算待测样品的比热容C值，若误差太大，要分析原因并重新测量.注意事项如下：（1）样品自然冷却时，应悬置于无风、无热源、气温稳定的环境中，开始记录数据时动作要敏捷、记录T、t要准确.（2）小心加热盘温度过高烫手. 3.物体初始温度 记录时间不完全一致

⑧ 含水合物多孔介质的导热特性实验

李栋梁^1,2，梁德青^1,2

李栋梁（1976－），男，博士，助理研究员，主要从事天然气水合物基础物性及应用技术方面的研究，E-mail:[email protected]。

1.中国科学院广州能源研究所/可再生能源与天然气水合物重点实验室，广州510640

2.中国科学院广州天然气水合物研究中心，广州510640

摘要：含水合物多孔介质的有效导热系数的重要性，涉及全球气候变暖对海底和大陆架中水合物稳定性的影响。利用单面瞬态平面热源法测定了不同水合物饱和度下石英砂体系的有效导热系数。结果表明：水合物的形成过程显著影响水合物生成后体系的有效导热系数，其有效导热系数和初始含水量并不成比例。水合物与沉积物颗粒不同的聚集模式可能显著影响它们的导热系数。从实验结果来看，水合物在低水饱和度石英砂中生成的水合物为胶结模式，而在高水饱和度石英砂中生成的是接触模式。从其导热系数来看，胶结模式的导热系数明显大于接触模式。

关键词：水合物；导热系数；石英砂；多孔介质

Experimental Study on Effective Thermal Conctivity of Hydrate-Bearing Sand

Li Dongliang^1,2,Liang Deqing^1,2

1.Key Laboratory of Renewable Energy and Gas Hydrate/Chinese Academy of Science,Guangzhou,Guangdong 510640,China

2.G uangzhou Center for G as Hydrate Research,Chinese A cadem y of Sciences,G uangzhou,G uangdong 510640,China

Abstract:Thermal conctivities of methane hydrate-bearing sand samples,which were formedfrom moist sand with different initial water saturations,were measured by Gustafsson' s TPS (transient plane source) technique.The results show the weak negative temperature dependence similar to that of a crystal-like material,which agrees well with most sedimentary and pure methane hydrate results.The effective thermal conctivity of hydrate-bearing sediment is strongly dependent on morphology.These phenomena are in harmony with the influence of the seismic velocities.In partially water-saturated,gas-rich environments,hydrates tend to cement sediment grains together,and even a small amount of hydrate will significantly increase effective thermal conctivity.In higher water concentration sand and water-saturated sand,the effective thermal conctivity does not obviously increase with the hydrate saturation.It may be that hydrateformed in water-saturated systems does not cement the sand particle and the thermal conctivity of gas hydrate is close to that of water.

Key words:hydrate;thermal conctivity;sand;porous medium

0 引言

含水合物多孔介质的有效导热系数的重要性，涉及全球气候变暖对海底和大陆架中水合物稳定性的影响。松散沉积物的有效导热系数通常在实验室中通过对钻探所得样品测量而得到，但有时候样品并不是很容易取得，在这种情况下就需要对有效导热系数进行原位测量。但是，目前对含水合物多孔介质的有效导热系数测量工作并不是很充分^[1]。

Henninges等^[2]通过原位测试获得了永久冻土带含水合物沉积物的有效导热系数。Trehu^[3]也通过原位测试获得了含水合物海底沉积物的有效导热系数。但是，原位测量会受到很多限制。然而，实验室中的研究一般只限于简单的模拟沉积物和人工合成水合物，例如Stoll和Bryan^[4]测量了甲烷水合物与沉积物混合多孔介质的有效导热系数，但没有报道详细的配比关系。Waite等^[5]研究了甲烷水合物与石英砂混合多孔介质的有效导热系数有配比关系，但无相关模型建立。Tzirita^[6]较早实验测定了含水合物石英砂和黏土的有效导热系数，并指出孔隙度是控制其有效导热系数的临界因子。de Martin^[7]通过实验研究了纯甲烷水合物以及含水合物的石英砂导热系数并指出：在增强颗粒之间的热传递方面，甲烷水合物扮演了一个很重要的角色，甲烷水合物在孔隙中的存在增强了体系的有效剪应力，因此增强了颗粒之间的热传递。Cortes等]通过实验研究了THF（四氢呋喃）水合物与石英砂、THF水合物与黏土的有效导热系数，并使用并联模型、串联模型、Hashin-Shtrikman上界和Hashin-Shtrikman下界模型来分析沉积物有效导热系数与孔隙度的关系。黄犊子等^[9]结合瞬态面热源法来测量混合气水合物导热系数及含混气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数并发现：由于“爬壁”效应，混合气与饱含SDS（十二烷基硫酸钠）水溶液的沙子反应生成的含混合气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数约为1.2 W/(m·K），该数值显著低于含四氢呋喃水合物的沙子多孔介质的值（约1.9W/(m·K)）。

由于实地测量时接触热阻较大，并且钻井中存在流体的对流换热和测量时热响应的时间滞后，而实验室测量的情况并不能概括实地的样品情况，测量含水合物沉积物的有效导热系数变得相当困难，使得目前的实验结果差别较大，因此，有必要进一步研究含水合物沉积物的有效导热系数。

1 实验装置和过程

1.1 实验装置

实验装置由水合物合成系统、水合物压缩成型系统、导热系数测试系统和数据采集系统组成，整个实验系统如图1所示。其中水合物合成系统由反应釜、反应气路、恒温空气浴等组成。

图1 水合物导热测试实验系统图

反应釜的材质为1Cr18Ni9Ti，设计耐压强度为30MPa，工作压力最大25 MPa，内径50 mm，有效容积为200 m L。反应釜上端装有液体驱动的液压活塞，活塞杆下部连接压制样品用的圆柱体不锈钢块，反应釜上部连接位移传感器，活塞杆的移动距离可通过位移传感器显示。

反应釜底部装有Hot Disk导热系数测量探头，该探头为双螺旋探头结构。该探头在测试过程中起到2个作用，它既是加热样品的热源，又是记录温度随时间升高的阻值温度计。在Hot Disk测试系统中一般要求探头夹在两块平整的样品中间，而水合物的导热测试要求在高压下完成，其样品也需要通过压制才能获得较好的测试结果，因此本文选择直径为66 mm的聚四氟乙烯圆块为背景材料，通过单面测试和特殊计算来获取样品的导热系数。导热测试探头的电缆被分成4根线，每根线用1个带有绝缘套的针连接，针用卡套固定，保证密封且相互绝缘。

恒温空气浴采用意大利Angelantoni集团公司旗下的ACS公司生产的Challenge 250试验箱，温度范围为－70～180℃，控温精度和均匀度分别为±0.1℃和±0.5℃。

数据测试系统包括温度、压力和位移的测量。温度测量是采用四线铠装热电阻（Pt100），量程为－70～100℃，精度为0.1℃。压力测量用的压力传感器采用广州森纳士仪器公司生产的DG1300型压力传感器，精度0.5级，量程为0～20 MPa。位移的测量通过位移传感器来实现，位移传感器为北京京海泉传感科技有限公司生产的DA-20型传感器，量程0～50 mm，精度0.05％。数据采集系统为安捷伦公司Agilent-34970A型数据采集仪。

1.2 实验过程

确定管路系统无泄漏后在常温下打开反应釜，用吹风机吹干反应釜内残留的水分，然后量取一定体积的干石英砂小心置于反应釜中，用移液枪吸取蒸馏水直到完全浸没石英砂并记录消耗的水量。封好反应釜并连接好管路，然后对系统进行抽真空。抽完真空后通入12～14 MPa的甲烷气体。静置一段时间让甲烷充分溶解直到压力稳定后开始开启空气浴进行降温。随着温度的进一步降低，发现在－10℃左右压力会突起，冰生成会使体系的体积发生变化而导致压力升高。这时候可以上调空气浴的温度到5℃左右使冰融化，由于融冰过程可以加快水合物的形成。因此经过若干次重复后不再观察到温度下降过程中压力的突起，就可以判定沉积物中的水完全转化为水合物。待水合物完全生成后即可进行后续的热物性测试。

1.3 实验材料

实验中所需材料如表1所示。

表1 实验材料表

2 实验结果与讨论

2.1 部分水饱和石英砂混合体系的有效热导系数

图2为不同饱和度石英砂有效导热系数的实验结果。

图2 部分水饱和石英砂混合体系的有效导热系数

从图2可以看出，随饱和度的增加，有效导热系数值明显呈增大的趋势。对于饱和度小于90％的石英砂，试样有效导热系数值随含湿率的增加平稳增大，有效导热系数随饱和度的增加几乎呈线性增长，而饱和度从90％开始，随饱和度的增加，有效导热系数的增长速度开始变得非常迅速。和Chen^[10]于明志等^[11]的结果相比，导热系数还随着孔隙率的增大而减小。

2.2 水合物－甲烷－石英砂混合体系的有效导热系数

图3为含水合物石英砂有效导热系数与温度的关系实验结果。3个样品使用同样的石英砂，所不同的只是生成前石英砂孔隙中的水饱和度不同。水砂质量比分别为0.1927、0.2367和0.2568，对应的水饱和度分别为0.54、0.93和1.00。但从实验结果来看，生成水合物后体系的有效导热系数和初始含水量并不成比例。水砂质量比为0.1927的样品的有效导热系数最高，平均为1.60W/(m·K），水砂质量比为0.2367和0.2568的样品有效导热系数则分别为1.07 W/(m·K）和1.50 W/(m·K）。

图3 含水合物石英砂的导热系数与温度的关系

图4为水合物－甲烷－石英砂混合体系有效导热系数与水合物饱和度的关系。这里采用的石英砂样品不同水饱和度的样品，而样品中水已完全转化为水合物，剩余孔隙空间填充的是甲烷气体。

图4 水合物饱和度对甲烷/水合物/石英砂体系有效导热系数的影响

和图3相同，从实验数据来看，生成水合物后体系的有效导热系数和水合物饱和度并不成比例，高饱和度时导热系数反而较低。黄犊子等^[9]报道含甲烷水合物石英砂样品的有效导热系数为0.98 W/(m·K）。但根据他的评估，该样品含气率为29.2％，即该样品还含有29.2％的孔隙。因此，本文的样品和黄犊子等^[9]的样品可能一样，水合物中还含有一定量的气体，但可以肯定不含自由水或仅含少量的自由水，因为在降温过程中并没有观察到压力的突起。

2.3 水合物－水－石英砂混合体系的有效导热系数

图5为水饱和度水合物－石英砂体系的有效导热系数。这里采用的石英砂样品为饱和样品，而样品中剩余孔隙空间填充的是水。

从本实验结果来看，水饱和度水合物－石英砂体系的有效导热系数随水合物的饱和度增大而减小。但从报道的水合物导热系数来看，水合物的导热系数大于水。在有效介质理论中，水合物和沉积物的关系有2种模型：一种是接触模型（grain contact model），水合物与沉积物颗粒相互松散接触，在这种状态下，水合物有2种处理方法，一是把水合物当做流体，水合物和水共同作为流体相，这种模式也叫悬浮模式（模式A）；而是把水合物当做骨架的一部分，水合物和水共同组成固体骨架（模式B）。第二种为胶结模型（cementation model，模式C)^[14]。水合物与沉积物颗粒不同的聚集模式可能显著影响它们的导热系数。从本文的实验结果来看，水合物在低水饱和度石英砂中生成的水合物为胶结模式，而在高水饱和度石英砂中生成的是接触模式。从导热系数来看，胶结模式的导热系数明显大于接触模式。

图5 水合物饱和度对湿石英砂有效导热系数的影响

3 结论

1）湿砂体系有效导热系数随含湿率的增加平稳增大，且随着孔隙率的增大而减小。

2）水合物的形成过程显著影响水合物生成后体系的有效导热系数，其有效导热系数和初始含水量并不成比例。

3）水合物与沉积物颗粒不同的聚集模式可能显著影响它们的导热系数。从实验结果来看，水合物在低水饱和度石英砂中生成的水合物为胶结模式，而在高水饱和度石英砂中生成的是接触模式。从其导热系数来看，胶结模式的导热系数明显大于接触模式。

参考文献

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⑨ 朱家岩隧道涌水物理模拟

4.3.1 物理模拟基本原理

岩溶管道水系统物理模拟是用等效水箱（水能储存单位）与变径管束（水能输送单位）组合的模拟模型来逼近真实的岩溶地下水系统。按水力相似原理，以一定的时空比例来组装模拟模型，通过动态模拟，寻求岩溶管道水系统含水介质体和地下水运动特征，求取水文地质参数，为岩溶地下水系统定量评价和水量预报提供依据。

岩溶管道水系统进行物理模拟要进行一定的概化和时空缩小等多方面的处理。概化与处理必须遵循一定的规律，即满足力学相似条件。力学相似条件是指系统与模型内的水流中同类运动要素（例如某点速度或阻力）之间存在一定的比例关系。力学相似包括几何相似、运动相似、动力相似、边界相似等四个方面。

岩溶地下水系统的物理模拟以力学相似定律为基础，同时结合系统自身的结构与水流运动特征，建立相应的相似准则。

岩溶管道水系统中地下水的运动受控于水力梯度与介质空隙空间体形态及其组合。经分析与总结前人的研究成果表明，在系统中，重力和紊动阻力作用是影响地下水运动状态的关键因素。因此，系统物理模拟需同时建立重力相似准则与紊动阻力相似准则。

据水力学推导，紊动阻力相似要求两个水流沿程阻力系数对应相等。沿程阻力系数仅与管壁粗糙度有关。紊动阻力相似准则是模型中管壁粗糙度与原型中对应点管壁粗糙度之比是模型与原型线性比的1/6次方倍^[1]。

4.3.2 岩溶管道水流物理模拟过程

岩溶管道水系统物理模拟，包括了对岩溶储水介质的模拟、对岩溶导水介质的模拟以及对其二者的混合模拟。其中对岩溶导水介质水流的模拟是整个系统模拟的关键，又是一个极其复杂的过程，难度很大，它涉及水能转换、质量守恒及介质对水流的阻力等问题。同时，由于岩溶管道介质的复杂多变性，其模拟技术很值得研究。

在对岩溶管道水流物理模拟中，首先通过对野外资料，特别是水位与水流的关系资料进行分析，然后考虑如何对其进行模拟。在一般情况下，岩溶管道可采用变径管束来对其进行模拟，用阻力元件模拟管道阻力，实现对实际管道的模拟仿真，其模拟过程如图4.4所示^[2]。

图4.4 岩溶管道水流物理模拟过程

4.3.2.1 管道流量-水位曲线分析

在整个岩溶管道水系统中，管道断面很不规则，是一个很难测量的量，这给岩溶管道水流流速的研究带来了困难。而水流流量中已经包含了水流断面和流速的信息，它是水流速率与断面面积的乘积。如果已知管道流量和某断面面积，也就等于知道了流速。另外，由于水的不可压缩性，当管道全部充水时，管道内各断面的流量都是相同的。因此，为了简化所研究的问题，在物理模拟时，以水流流量作为基本量。

在岩溶管道系统中，管道的流量与流速一样，它与管道的长度、水力半径、水的密度、水动力黏度系数、管道的粗糙度、水流流态等因素有关。在这众多的影响因素中，大多数因素是难以知道的。因此，在研究岩溶管道的流量与介质的关系时，应先将上述因素用管道的综合流量参数加以表示，然后，有条件时，再逐步深入，研究其他具体的影响因素。

在单一的岩溶管道里，其流量与其驱动水头的关系如下^[3]：

q_v（t）=α[H（t）-H₀]^1/n（4.8）

式中：H（t）、H₀为某瞬时管道进、出口的水位；ΔH=H（t）—H₀为某瞬时管道的驱动水头；q_v（t）为某瞬时通过管道的流量；α为管道的综合流量参数；n为流态指数，当管道流态为紊流时n=1.75～2，当管道流态是层流时n=1。

ΔH-Q的特征曲线见图4.5。从图中知道，当流量参数α较大时，其流量较大，曲线远离ΔH轴，说明管道的阻力小、导水能力强；反之当流量参数α较小时，其流量较小，曲线靠近ΔH轴，说明其管道阻力大、导水能力弱。依据单一管道流量特征曲线，很容易采用单一管道来模拟单一的岩溶管道。在模拟时，可采用模拟管道中的阻力元件来模拟实际管道阻力。在多数情况下，其模拟结果能达到异构同功的效果。

图4.5 单一岩溶管道流量与驱动水头关系曲线

4.3.2.2 岩溶管道的等效箱-管组合模拟

在自然界里，岩溶管道往往都不是以孤立、单一的形式存在，而是以组合交叉或网络等形式存在，这时就要用管道组合来模拟，或者说等效箱-管组合模拟。这是因为岩溶管道还是一个灰箱或黑箱系统，因而只能在过水能力和过水方式上进行等效模拟。模拟时，根据实际资料所提供的信息，包括管道的空间状态、流量动态、通道条数及过水能力等作为模拟初值。在对岩溶管道水流模拟中，以机控水箱来模拟储水空间，以玻璃管来模拟管道。而模拟结果则是要确定管道系统是单一（主）通道或是多通道（包括管束或有差异的导水介质）以及管道（或导水介质）间的组合方式，求出综合流量参数。因此，首先要对管道的q_v=f（ΔH）特征曲线作分析，绘出其流量与驱动水头的特征曲线，如果该管道是单一管道，则其流量与驱动水头的关系满足于式（4.8）；反之则实测曲线与模拟曲线相差甚大，此时要考虑用等效箱-管来组合模拟。经过反复切换管道组合模式，最终确定一种模拟结果较理想的组合模式。

4.3.3 物理模拟的应用

郭纯青等^[1]对广西北山铅锌黄铁矿区岩溶管道水系统进行了物理模拟，选取1983年6月百年一遇的双洪峰（21日、22日），以及S2、S18、903、10A2四个观测孔水位资料及1号、2号、3号、4号泉溢洪洞四个观测资料，将北山矿区岩溶管道水系统概化为4个等效水箱，经多次反复模拟实验，实现了对8个主要水文点水位及流量的最佳拟合，拟合精度较高。对桂林岩溶水文地质试验场S31泉子系统进行了物理模拟，将该子系统概化为3个等效水箱，选取1989年4月13日8时至4月15日12时共60 h为模拟时段，模拟了降雨退水段，求取了管道水动力参数。

4.3.4 物理模拟装置

采用的模拟装置是由郭纯青教授设计的“岩溶管道水系统模拟装置”。该装置是目前国内外唯一一个岩溶管道水系统物理模拟装置。本套模拟装置依托传统的物理模拟方法，采取微电子技术与计算结合的方式，建立岩溶管道水系统物理模拟模型，是一套全自动水流控制系统。主要由液位检测传感器、液位压力传感器、流量传感器、A/D变换器、CPU监控中心和流量控制器等器件组成。实验装置简图如图4.6。岩溶管道水系统物理模拟装置主要包括两大部分——等效实体模型部分和数据采集监控部分。

图4.6 “岩溶管道水系统模拟装置”简图

4.3.4.1 等效实体模型

根据物理模拟建模要求，概化岩溶管道水系统多重含水介质体及水流特征为水能储存单元和输送单元的组合，采用等效水箱与变径管束的模拟装置建立等效实体模型，实现对岩溶管道水系统的水动力特征及系统转换功能的模拟目的。

系统被概化为水能贮存单元的亚系统，必须取得该单元出口端附近上游水位及流量的动态信息：

Q（t）=f_i[h（T）]（4.9）

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

h（t）=f_z（t）（4.11）

单元的水位与流量必须是同步的，流量可能是多端同时输出，包括季节性的分级溢洪泉。一般情况下，水能贮存和输送两单元总是配套组合模拟，等效水箱的容积也是将两者统一概化在内。对于水箱贮存量的计算，有如下两种方法。

用圈定岩溶体积几何空间的方式计算：

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

式中：V为岩溶管道水某子系统在h₁与h₂两标高范围内的贮存总体积；A（h）为不同标高等效水箱面积；h为水箱出口端有代表性的水位。

由于A（h）面积函数在实际中是不易求得，它不仅包括含水体所圈定的范围，也包括岩溶率在内的空间变量函数。

采用系统动态信息反求贮存体积：

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

当子系统的水位和流量动态处于无入渗状态单调下降情况下，可以选取适合的时段将流量动态做分段（时段和相应的标高段）积分求和，可求得总体积和分段体积：

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

式中：t_i、t_i+1为针对水位变化比较一致的相邻时段。

岩溶地区地下水与环境的特殊性研究

式中：

、

为不同水位时水箱出口的流量；

、

为不同水位时的相应时间间隔。

式（4.8）是式（4.7）的离散式。等效水箱的建立，由于经过上述动态分析，已经可以求出分段的ΔV_i的体积，由此可以通过式（4.5）的变换求得等效水箱分段的底面积：

A_i（h）=ΔV_i/（h_i-h_i+1）（4.16）

面积函数A_i（h）的下标i与标高段h_i是相应的。据此，等效水箱的空间容积就被完全确定，可以按照既定的模拟比值缩制模型。

4.3.4.2 数据采集监控系统

（1）数据采集子系统

数据采集子系统主要用于对岩溶管道水系统物理模拟模型运转过程的检测及运行情况的显示；同时对采集到的输入和输出数据，与野外实测数据对比并作预测分析。

测试元件主要通过微压差传感器对水箱测压管即文杜里流量计以及孔口流量计等进行水头压力（或压差）测量；以求得等效水箱水位与管间流量的测试，数据采集主要通过A/D板将传感器采集到的物理信号转换为数字信号与计算机共同完成（图4.7）。

图4.7 数据采集子系统示意

通过多通道的信号输入，计算机可以按照规定的间隔时间，对全部被测试点的压力（或压差）数据做瞬时同步采集。

（2）数据监控子系统

物理模拟装置中的数据监控子系统，包括带控制程序的微机，以及执行微机指令的可控水箱的进水装置。监控子系统的功能是通过对各测试元件所采集模拟模型的信息，反馈控制水箱进水量，实现对岩溶管道子系统的水能储存和释放的模拟。

可控水箱进水装置由电磁阀构成，根据微机指令的数字信号通过D/A板转换为电讯号，经放大控制电磁阀开关。

物理模拟过程的微机控制程序包括以下两个方面：

1）识别模拟阶段：根据模拟模型中对储能单元在空间变化（水位的函数）规律，编制出不同标高段相应的进水量的控制程序。

2）预报模拟阶段：控制程序编制根据预报期内的降水有效入渗，转化为水能储存单元在规定的模拟时段接受随机滞后输入量的控制。

通过微机将数据采集与监控两子系统耦合构成模拟模型的重要组成部分。

4.3.5 朱家岩隧道涌水物理模拟

4.3.5.1 研究区隧道涌水物理模型概化

根据水动力相似原理，按朱家岩隧道实际水文地质条件，选取线性相似比例系数1/103，从而面积相似系数为1/106，体积相似系数为1/109，时间相似系数为1/10，流速相似系数为1/10，流量相似系数为1/107。

研究区补给面积取8×10^-2km²，范围为硐身及其两侧附近地带，其中包括可能与隧道沟通的汇水洼地、落水洞等地带，由1/10000岩溶水文地质图上量取。根据资料综合分析，隧道硐身均在饱气带，枯水期为表层岩溶带、垂直下渗带和季节交替带，厚度为230～355m，丰水期为表层岩溶带和垂直下渗带，厚度为210～305m。因此，水箱（储水介质）概化为面积为800cm²，枯水期高度为35cm，丰水期高度为30cm的垂向变体积水箱。由于研究区以管道流为主，对各子系统之间以裂隙方式的面状水量变换，可以等效到管道连接部分合并处理。对岩溶管道（包括箱间连接管道及排泄通道）的模拟，先根据地质、水文地质及岩溶发育条件的分析给出初值（包括管道空间状态、流量分配及阻力状况等），然后根据动态模拟结果反复调整。初值的给出，遵循下列约束条件：第一，管道条数，根据流量衰减分析的结果，初步确定管道条数为3条，如果模拟结果跟实际相差很大，则重新选择管道条数。第二，管道位置高度。第三，管道流量约束，水箱补给管道水量应近似于降水补给研究区的水量，管道总排泄量应近似于隧道涌水量。经多次反复模拟试验，实现对朱家岩隧道涌水过程的最佳模拟，拟合程度最好的即为该区管道组合结构。

研究区补给面积为8×10^-2km²，远小于红岩泉地下河系统的汇水面积（10.5km²），而实测隧道最大涌水量为3400m³/d，即39.4L/s，也远小于红岩泉洪水期的流量（1000～2000L/s），隧道涌水虽然对红岩泉地下河系统造成了一定的影响，但是影响不大，又由于缺乏长观资料，因此不考虑红岩泉流量，只是对隧道涌水系统进行了研究。

4.3.5.2 朱家岩隧道岩溶管道涌水的物理模型研究

根据8月15日的降水量、涌水量资料（因4月30日和6月15日的涌水衰减量不大，有些管道可能没有参与衰减过程，故采用8月15日的数据进行物理模拟），建立朱家岩隧道包气带岩溶管道水系统物理模拟模型，用等效箱-管模型来组合模拟，经过反复使用1条、2条、3条切换管道的组合模拟，最终确定采用3 条切换管道，模拟结果才较为理想，模型见图4.8。这一结果跟流量衰减分析的结果“该区管道发育程度有三个级别”相一致，验证了衰减分析的可靠性。

图4.8 朱家岩隧道物理模型装置示意

应用该模型来模拟朱家岩隧道8月15日涌水的时间-流量过程线如图4.9，图4.10所示。8月16日至9月4日的结果见表4.4。

图4.9 时间—流量曲线

图4.10 时间—流量曲线

表4.4 模拟最接近实测数据的一次实验数据

表中8月19日和8月20日1号、2号流量的大小关系与别的时段的大小关系不一致，可能是由于模型概化时水箱边界条件的选取不是很精确而造成的，在以后的工作中会予以重视。

据文字记载，湖北宜昌市最大日降水量为385.5mm（1935年7月5日），将此降水量值输入该模型，经过反复实验，求得最大涌水量为9800m³/d。

⑩ 风吹进涡流管会分离出两种温度的空气吗

涡流管是一种结构极为简单的制冷装置，它由喷嘴、涡流室、分离孔板、热阀以及冷热两端管组成。高压气体沿切向进入涡流室，形成很强的涡流；由于冷端孔板的阻隔，外层气流便高速螺旋状向热端管运动，流动的涡流特性也同时向热端管运动而逐渐减弱。外层气流的运动引起热端管的内芯部形成由热阀指向冷孔板的压力梯度。在这种压力梯度的作用下，形成由热阀向冷孔板流动的返流。气体在热端管的流动过程中，外层气流温度升高，内层返流温度降低，高温气流从热端阀流出，低温气体通过冷孔板流出，从而将进涡流管的气流分离为冷热两股温度不同的气流。 本实验是在进口压力范围为 0.25MPa～0.70MPa，出口背压为0.19MPa～0.34MPa之间，总流量范围为0～30m~3／h(常温常压下)，入口温度为12℃～32℃之间的情况下进行的。 在本研究中，我们设计并建立了涡流管能量分离实验系统。这一系统包括实验装置和实验测试系统。在详细分析实验系统可能产生误差原因的情况下，提出了减小实验误差的相应措施。 在大量实验研究的基础上，证实了在入口压力0.25MPa～0.7MPa之间，入口温度(从12℃～32℃之间)对涡流管的冷热效应有一定的影响，并且随着入口温度的升高，涡流管的制冷性能增加，而制热性能有所降低。 通过反复和大量的实验研究，第一次得出了出口背压(从0.19MPa～0.34MPa之间)对涡流管能量分离具有重大影响的研究结论。这一结果为涡流管的性能调节提供了一种十分有效的方法。 对涡流管性能受冷气流分量的影响进行了实验研究。冷气流分量是影响涡流管性能的因素之一。在其它参数一定的情况下，可以通过调节冷气流分量来改变涡流管的性能指标。为涡流管的实际应用提供了一定的参考数据。 一 通过大量的实验研究表明，入日压力是引起涡流管能量分离的一个重要参 数，在人口压力为0．20＊P：时，冷热分离不明显：当入曰压力达到O．25＊k以 及一直到060MPa过程中，随着入口压力的升高，涡流管能量分离非常显著； 比如，在n＝44．S％时，入日压力为0．25MPa、0．40MPa、0．60MPa时的冷热分离 效应分别是 19．3℃、29．3℃、75．5℃；但当入日压力大到一定程度，各量增大 趋势变缓。 喷嘴结构对涡流管性能指标具有重大影响。在本实验范围内，对三种形状 和尺寸的喷嘴进行了测量，从实验结果来看六个流道均匀布置的喷嘴具有最佳 的效果。 通过以上一系列的实验研究以及理论分析，对涡流管进一步的研究提出一 些设想，并对涡流管的应用前景进行了展望。