一种模拟低真空运输管网结构的实验装置及试验方法

本发明涉及一种模拟低真空运输管网结构的实验装置及试验方法。

背景技术：

1、随着社会经济的快速发展，低真空管道运输系统作为一种新型交通系统，其内部磁悬浮列车的运行速度可达到600～1000km/h，很大程度上缩短城际间的交流时间。将管道内部的气压降至大气压的千分之一，使其处于低真空状态，从而减少了列车运行过程中遇到的空气阻力，进而提高列车运行的速度。由于空气阻力的减少，受空气阻力的影响而损耗的能量将大幅减少，具有显著节能减耗的效果；另外，由于运输管道连续，空间密闭，因此受自然条件的影响较小，空气噪声减少，列车运行过程中的稳定性和舒适性将增大。

2、在对低真空管网项目的设计进行不断优化，低真空管道作为运营主体，其状态和力学性能对真空系统的可靠和安全运行有着至关重要的作用，所以有必要开展针对性研究。隧道式管道结构可节约且高效的利用土地资源，在满足使用要求的前提下，利用现有的拼装式管节结构可节约管道建设成本，具有明显的经济效益，但拼装式隧道管节结构在低真空复杂环境下的密封性能和力学行为有待实验探索。

3、管网内部在抽离气体形成真空状态后形成负压，外部气体在大气压力作用下，有向着管网内部进行渗透扩散的趋势，因此管网结构的密封性能必须要满足工程密封要求；当低真空隧道管网周围存在水环境的情况下，真空负压会进一步加剧地下水对与管节的渗透作用，因此低真空负压隧道的透水性、水密性仍然需要探究，也需要进行试验验证；在低真空环境中，隧道管节内部结构在负压作用下，管节结构和接缝处的力学性能和破坏也是不容忽视的；低真空隧道结构内部由于环境、列车的高速行驶等因素都会显著提升低真空隧道结构内部的环境温度，隧道结构在不同温度下的引起的力学性能变化也需要进一步进行验证探究。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术所存在的不足而提供一种模拟低真空运输管网结构的实验装置及试验方法的技术方案，具备一定的拉伸、弯曲能力，有效保证低真空隧道结构的气密性的同时，能够提高隧道结构适应温度、压强等引发的不同变形能力，同时在大型低真空管网结构在实际低真空环境中的特殊工况，可以实现对低真空隧道管网结构实际环境的全面模拟，可对低真空运输环境下管网结构的气密性以及结构力学性能进行验证。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种模拟低真空运输管网结构的实验装置，其特征在于：包括

4、一拼装式低真空柔性管道，拼装式低真空柔性管道包括间隔设置的密封管节结构和波浪形柔性管节结构；

5、一温度控制系统，用于检测和控制密封管节结构和波浪形柔性管节结构的温度；

6、一粒子释放仪器，用于向密封管节结构和波浪形柔性管节结构释放感应粒子；

7、一真空控制系统，用于调节拼装式低真空柔性管道内部的真空度；

8、一红外热成像仪和一3d3c piv系统，红外热成像仪和3d3c piv系统分布于拼装式低真空柔性管道的两侧，用于监测拼装式低真空柔性管道内部感应粒子的位置以及变化状态；

9、和一数据接收终端，用于接收并分析温度控制系统、粒子释放仪器、红外热成像仪和3d3c piv系统的数据，判断拼装式低真空柔性管道内部应力、温度和气压的数据变化，确定拼装式低真空柔性管道的密封效果。

10、通过上述结构形成的实验装置，具备一定的拉伸、弯曲能力，有效保证低真空隧道结构的气密性的同时，能够提高隧道结构适应温度、压强等引发的不同变形能力，同时在大型低真空管网结构在实际低真空环境中的特殊工况，可以实现对低真空隧道管网结构实际环境的全面模拟，可对低真空运输环境下管网结构的气密性以及结构力学性能进行验证。

11、进一步，密封管节结构包括混凝土底板和刚性管体，刚性管体呈半圆环状结构，刚性管体的拱脚位置设有水平向外延伸的拱脚钢板，混凝土底板的两侧对称设有预埋钢板，拱脚钢板与预埋钢板相互对齐，且通过法兰拼接螺栓固定连接，混凝土底板设有法兰拼接螺栓，通过刚性管体的结构设计，可以使其完全贴合于隧道结构内壁，提高密封管节结构的稳定性和可靠性。

12、进一步，波浪形柔性管节结构包括柔性管节和后焊底板，柔性管节呈波浪形结构，柔性管节的外侧设有波浪形管纹，柔性管节的拱脚位置设有水平向外延伸的拱脚钢板，后焊底板的外侧设有预埋钢板，拱脚钢板与预埋钢板相互对齐，且通过法兰拼接螺栓固定连接，后焊底板设有法兰拼接螺栓，波浪形柔性管节结构的底部设有荷载控制系统，通过改变波长的大小，使柔性管节具备更大的受拉、弯曲性能，实现柔性管节形式的调整以适应荷载的变化，此处的荷载指代位移。

13、进一步，拼装式低真空柔性管道的两端设有密封门，密封门之间通过法兰拼接螺栓连接，密封门上设有抽气阀门、粒子释放阀门和数据接线阀门，抽气阀门与真空控制系统电性连接，粒子释放阀门与粒子释放仪器电性连接，数据接线阀门与数据接收终端电性连接。

14、进一步，刚性管体和柔性管节相互接触的位置均设有外延钢板，相邻两个外延钢板之间通过法兰拼接螺栓固定连接，提高刚性管体与柔性管节之间的连接稳定性和可靠性。

15、进一步，预埋钢板、拱脚钢板、外延钢板和密封门均设有凹槽，凹槽内嵌入组合式密封条，通过组合式密封条的安装可以大大提高预埋钢板与拱脚港之间、相邻两个外延钢板之间、相邻两个密封门之间的密封性能，减小连接处的缝隙对试验检测的影响。

16、进一步，组合式密封条为双层结构，组合式密封条的外层为遇水膨胀橡胶，组合式密封条的内层为橡胶弹性密封垫，使组合式密封条具备一定的可压缩性和密封性能，其外层材料可与空气中介质发生化学、物理反应迅速发生膨胀，填充密实与空气接触到空间，当该物资处于受压状态时，会发生逆反应，回归到原有材料，保障管网结构内部真空度。

17、进一步，混凝土底板和后焊底板上均设有导轨侧墙，温度控制系统包括集成器和温度控制器，集成器安装于导轨侧墙，集成器包括加热器和温度感应器，加热器和温度感应器均与温度控制器电性连接，加热器和温度感应器连续、多段分布于导轨侧墙内部，加热器三个为一组，配置一个温度感应器监测集中温度。

18、进一步，柔性管节和刚性管体的内壁均设有数据采集器，数据采集器包括分布式光纤传感器、温度传感器和压力传感器，分布式光纤传感器、温度传感器和压力传感器均与数据接收终端电性连接，便于进行温度、压力等数据的采集。

19、如上述的一种模拟低真空运输管网结构的实验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：

20、s1、拼装实验装置，通过数据接线阀门完成数据采集器与数据接收终端电性连接，并将各个阀门关闭，保证此时拼装式低真空柔性管道的内部为完全封闭空间，打开3d3cpiv系统、红外热成像仪和数据采集器，静置一端时间，观测此时拼装式低真空柔性管道的密封效果；

21、s2、先将粒子释放仪器内的感应粒子加热至红外热成像仪观测到的温度，再打开粒子释放仪器释放感应粒子，使感应粒子沿拼装式低真空柔性管道内进行自由散播，静置一端时间，通过3d3c piv系统和红外热成像仪监测拼装式低真空柔性管道内部感应粒子的位置以及变化状态，若存在密封效果较差时，通过观测感应粒子变化得到密封效果较差的位置，进行及时处理；

22、s3、若拼装式低真空柔性管道此时已处于密封状态，通过真空控制系统开始吸取拼装式低真空柔性管道内的空气介质和感应粒子，通过3d3c piv系统和红外热成像仪观测拼装式低真空柔性管道内的空气介质和感应粒子的走向；

23、s4、通过真空控制系统，控制拼装式低真空柔性管道内部和外部气体的交换，调整至试验所需气压值；

24、s5、通过温度控制系统，控制拼装式低真空柔性管道内部的导轨侧墙的温度，调整至试验所需温度环境；

25、s6、通过变换波浪形柔性管节结构的波纹数量，得到不同的波浪形柔性管节结构，通过上述试验流程，得到最优结构类型。

26、该试验方法步骤简单，不仅可以在大型低真空管网在低真空环境中的特殊工况，通过真空控制系统、温度控制系统、荷载控制系统营造真实的水土环境，特别是应对灾害时的工况进行模拟，可以对低真空隧道结构低真空、高温、水土压环境、灾害环境进行全面模拟，实验结果可对低真空运输环境下管网结构的气密性以及结构力学性能进行验证，为后续低真空管道在低真空磁悬浮运输中的应用提供基础数据支撑及技术支持，而且能够找到适合低真空管网结构的波浪形柔性管节结构，能够确保低真空隧道水密性、气密性，保证低真空隧道实验过程中的真空状态，同时确保低真空管网结构的韧性及全生命周期。

27、本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

28、1、波浪形柔性管节结构设计成波浪形结构，具备一定的拉伸、弯曲能力，与两部分密封结构系统进行连接，各密封处设置组合式密封条，有效保证低真空隧道结构的气密性的同时，能够提高隧道结构适应温度、压强等引发的不同变形能力。

29、2、组合式密封条为双层结构，组合式密封条的外层为遇水膨胀橡胶，组合式密封条的内层为橡胶弹性密封垫，使组合式密封条具备一定的可压缩性和密封性能，其外层材料可与空气中介质发生化学、物理反应迅速发生膨胀，填充密实与空气接触到空间，当该物资处于受压状态时，会发生逆反应，回归到原有材料，保障管网结构内部真空度。

30、3、在大型低真空管网在低真空环境中的特殊工况，通过真空控制系统、温度控制系统、荷载控制系统营造真实的水土环境，特别是应对灾害时的工况进行模拟，可以对低真空隧道结构低真空、高温、水土压环境、灾害环境进行全面模拟，实验结果可对低真空运输环境下管网结构的气密性以及结构力学性能进行验证，为后续低真空管道在低真空磁悬浮运输中的应用提供基础数据支撑及技术支持。

31、4、能够找到适合低真空管网结构的波浪形柔性管节结构，能够确保低真空隧道水密性、气密性，保证低真空隧道实验过程中的真空状态，同时确保低真空管网结构的韧性及全生命周期。