CN101912832A - 建筑用可自控风致雨载模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

一种建筑用可自控风致雨载模拟实验装置，包括储水箱、交流电驱动水泵及分水器，储水箱的出水口与交流电驱动水泵的进口连接，模拟实验装置还包括喷淋***框架，在喷淋***框架上设有按阵列分布的喷头，在每个喷头上连接有水平旋转电机且喷头与水平旋转电机的电机输出轴连接，在每行水平旋转电机上分别连接一根横梁，每根横梁与喷淋***框架转动连接，在喷淋***框架上设与横梁数量对应的垂直旋转电机，各垂直旋转电机的输出轴分别与各横梁连接；在交流电驱动水泵与分水器之间设电磁流量调节阀且交流电驱动水泵出水口与电磁流量调节阀入口连接，电磁流量调节阀出口与分水器入水口连接，分水器的各个出水口分别与各个喷头进水口连接。

Description

建筑用可自控风致雨载模拟实验装置

一、技术领域

本发明涉及一种建筑用可自控风致雨载模拟实验装置，用于模拟建筑立面受到风致雨载作用的情况，属于建筑自然环境模拟实验技术装置领域。

二、背景技术

建筑在使用过程中受到多种环境荷载的作用，对于其性能和耐久性产生重要影响。其中，雨荷载是建筑立面承受的一种重要的环境荷载。建筑立面承受的雨荷载可被称为风致雨载，其最大特征在于雨滴在重力作用下本应自然、垂直地下落，但是受到风的影响，会以某一特定角度入射到建筑立面上。由于风和重力的耦合作用，降雨以一定角度淋到建筑立面上，这一点是研究雨荷载对建筑影响的关键要素，也是模拟降雨对建筑影响时必须实现的特点。而且，由于雨滴大小不同、风速大小不同、风流过建筑时受到的扰动等原因，建筑立面上承受的风致雨载的入射角度变化各异，非常复杂。

目前，国内外在研究降雨对建筑影响时通常采用人工模拟降雨装置，在公开的专利申请中也可见多种不同的模拟降雨装置。例如，申请号为200510086874.4的国家发明专利“人工模拟降雨喷射装置”公开了一种利于野外实验使用的人工模拟降雨喷射装置。申请号为200910087668.3的国家发明专利“便携式人工降雨模拟装置”公开了一种降雨强度易调节的的便携式人工降雨模拟装置。申请号为200910021960.5的国家发明专利“一种人工模拟降雨装置”公开了一种应用马氏瓶原理的人工模拟降雨装置。尽管这些降雨模拟装置各具特点，但都无法有效地模拟风致雨载，即无法准确地再现雨滴以一定角度入射至建筑立面的状况，更不用说对这一入射角度进行自动控制了。

因此，在目前已有的人工模拟降雨装置中，尚无能够对风致雨载存在特定入射角并且入射角各不相同这一本质特征进行精确模拟的装置，这一技术的缺失不利于开展降雨对建筑影响的实验研究。

三、发明内容

本发明提高一种能够真实反映建筑立面所受雨荷载的建筑用可自控风致雨载模拟实验装置，本发明还能提高实验的准确性和实验数据的可靠性。

本发明采用如下技术方案：

一种建筑用可自控风致雨载模拟实验装置，包括：储水箱、交流电驱动水泵及分水器，储水箱的出水口与交流电驱动水泵的进口连接，所述模拟实验装置还包括喷淋***框架，在喷淋***框架上设有按阵列分布的喷头，在每个喷头上连接有水平旋转电机，且喷头与水平旋转电机的电机输出轴连接，在每行水平旋转电机上分别连接一根横梁，每根横梁与喷淋***框架转动连接，在喷淋***框架还设有与横梁相应数量的垂直旋转电机，各垂直旋转电机的输出轴分别与各横梁连接；在交流电驱动水泵与分水器之间设有电磁流量调节阀，且交流电驱动水泵的出水口与电磁流量调节阀的入口连接，电磁流量调节阀的出口与分水器的入水口连接，分水器的各个出水口分别与各个喷头的进水口连接。

本发明解决的主要技术问题和实现的主要功能包括：

1、提供了一套用于实验室模拟建筑立面承受的风致雨载的装置；

2、降雨角度可在两个平面里进行两维度的自动控制，真实地模拟了自然条件下雨滴受风的作用以一定角度入射到建筑立面上的情况；

3、在一套风致雨载模拟装置上，各行喷头的喷淋角度可控制，而且同一行上每一个喷头的喷淋角度又可在另一个垂直平面里进行独立控制、各不相同，因此能够在两个平面里进行两维度的自由变化，从而精确地模拟自然界降雨过程中建筑立面不同位置承受的风致雨载入射角度不同的特点；

4、降雨量可进行自动控制，能够模拟小雨、中雨、大雨、暴雨等不同等级的降雨；

5、供水管路上设有可伸缩软管，能够自如地调节喷淋架与试件之间的距离，确保喷淋出的降雨以均匀的直线入射至试件表面。

本发明能够精确、连续、自动地在两个平面控制两维度的喷淋角度变化，从而模拟降雨在风的作用下以特定的强度和角度入射至建筑表面所产生的各种效应，具有如下优点：

1、本发明将喷头设在水平旋转电机上，又通过横梁将水平旋转电机与垂直旋转电机连接起来，就可以使得每个喷头形成在水平面内的旋转的同时，随垂直旋转电机作用下的横梁一起在铅垂面内旋转，如此一来，每个喷头可以合成为沿任意方向的运动，从而使每个喷头都可以独立地向任意方向喷射水流，所喷射的水流就会以与建筑立面成任意夹角去冲刷建筑立面，如此单个喷头与其它众多的喷头或独立或相互配合，模拟出自然界风雨交加的场景，例如：本发明可以使第1列喷头、第2列喷头、第3列喷头、……、第n列喷头按时间先后的顺序自左向右转动并喷射水流，如此运动，即可很好地模拟雨水在忽然刮来的一阵自左向右的风的作用下，先左后右地向右漂移式入射至建筑立面的情况。由此可见，本发明能够形成各个喷头个体的独立运动以及各个喷头个体相互作用、相互组合所形成的整体运动，这些运动使本发明真实地反映了降雨对建筑立面形成冲刷的自然状况，从而能够真实反映建筑立面所受雨荷载，提高实验的准确性和实验数据的可靠性。由于自然界风向的多向性以及随时间的多变性，其它简单的单向不可变式喷淋***难以真实地再现风致雨载对建筑的作用，而本发明突破了这一局限，能够有效地获得和真实自然环境高度吻合的实验数据，从而使得通过实验研究风致雨载对建筑的作用成为可能。

2、供水管路上的电磁流量阀接受模拟电信号控制，可自动调节降雨强度，模拟小雨、中雨、大雨、暴雨等不同强度的降雨；

3、供水管路上安装有柔性可调节软管，为喷淋***提供了位置移动的可能，能够灵活地调节其与试件的相对位置。

四、附图说明

图1是本发明的结果示意图；图2为喷淋***的正视图；图3为含有垂直旋转电机的局部放大结构示意图；图4为含有水平旋转电机的局部放大结构主视图；图5为含有水平旋转电机的局部放大结构侧视图；图6为含有水平旋转电机的局部放大结构俯视图。图中标注出的各组成部分为：

1-储水箱

2-储水箱供水

3-储水箱排水

4-喷淋***供水管路

5-交流电驱动水泵

6-电磁流量调节阀

7-电磁流量调节阀模拟电信号接收端子

8-柔性可调节软管

9-分水器

10-喷头供水软管

11-喷淋***框架

12-垂直旋转电机

13-横梁

旋转电机模拟电信号接收端子

14-喷头

15-球状万向轮

16-7个垂直旋转电机和35个水平旋转电机的信号接收端子模块

17-试件

18-水平旋转电机

19-焊缝

20-喷淋出水

21-用于将喷头固定在水平旋转电机上的辅助件。

五、具体实施方式

一种建筑用可自控风致雨载模拟实验装置，包括：储水箱1、交流电驱动水泵5及分水器9，储水箱1的出水口与交流电驱动水泵5的进口连接，其特征在于，所述模拟实验装置还包括喷淋***框架11，在喷淋***框架11上设有按阵列分布的喷头14，在每个喷头14上连接有水平旋转电机18，且喷头14与水平旋转电机18的电机输出轴连接，在每行水平旋转电机18上分别连接一根横梁13，每根横梁13与喷淋***框架11转动连接，在喷淋***框架11还设有与横梁13相应数量的垂直旋转电机12，各垂直旋转电机12的输出轴分别与各横梁13连接；在交流电驱动水泵5与分水器9之间设有电磁流量调节阀6，且交流电驱动水泵5的出水口与电磁流量调节阀6的入口连接，电磁流量调节阀6的出口与分水器9的入水口连接，分水器9的各个出水口分别与各个喷头14的进水口连接。

下面对本发明的具体实施方案作出更为详细的描述：

模拟降雨用水由一个长方体形状的储水箱提供，该储水箱共有3个接口：上方的接口与自来水管路相连，提供水源的补给；箱底的一个接口与下水管路相连，可在长期不使用时将储水箱里的水排尽；箱底的另一个接口与供水管路相连，用来为模拟降雨提供水源。整个储水箱用一个金属支架支撑，距地面一定高度，以为下部的管路提供充足的安装空间。制作时，可用不锈钢材料制成一容积为0.5立方米的储水箱，储水箱上部预留一直径为2cm的圆孔，用以与民用供水***相连，储水箱底部预留两个直径均为4cm的圆孔，其中一个通过管道接入下水管道，另一个与喷淋***供水管路相连。

供水管路由横截面为圆形的镀锌铁皮管制成，直径4cm，交接处作密封处理。储水箱下安装约30cm长垂直管道，通过一90度弯管接入供水管路水平部分。进入水平部分后，安装一以220V交流电为动力的水泵，为供水提供驱动力。在水泵下游的管路上，安装一电磁流量调节阀。该调节阀可接受0-10V或4-20mA直流电模拟量控制信号，0V或4mA对应调节阀全关闭状态，供水管路停止为喷淋***供水；10V或20mA对应调节阀全开启状态，供水管路以最大流量为喷淋***供水。供水量按照自然界实际降雨强度设计，最大供水量对应暴雨等级，为200mm/h。电磁流量阀控制端子与中心计算机相连，接受计算机传输的控制信号，以调节供水量，最大调节频率为6次/分钟。

在电磁流量调节阀的下游供水管路上安装一柔性可调节软管，可由PVC塑料或橡胶制成，该软管最小压缩长度为20cm，最大拉伸长度可达1m，用以调节喷淋***与试件的相对位置。

软管下游在供水管路的末端安装一分水器，从中引出若干软管，用以同喷头相连。分水器提供的分水通路数量与喷头数量一致，如按照图1和图2所示***制造，则需要35路分水软管分别同35个喷头相连。

喷头开孔直径为3mm，后部同分水器分出的供水软管相连，顶部通过一连接辅助件与水平旋转电机固定焊接。水平旋转电机后部同横梁固定焊接，每5个水平旋转电机均匀焊接在横梁上形成一排5个喷头，横梁末端与一垂直旋转电机连接，该电机与喷淋框架固定焊接。整个喷淋框架上共有均匀分布的7排5列喷头共35个，因此有35个水平旋转电机和7个垂直旋转电机，共42个。这42个旋转电机全部可接受0-10V或4-20mA模拟量电信号，以实现对电机旋转角度的控制。其中，0V或4mA对应旋转角度为0度；10V或20mA对应垂直旋转角度为180度。所有的旋转电机均连接处2个接线端子以接收控制电信号，如此可实现喷头在两个平面里的两维度自由转动。通过两个层级旋转电机的旋转，即可在两个平面里对喷头进行两维度的控制，从而产生以一定角度入射到试件上的水流，模拟复杂的风致雨载。

喷淋***框架由不锈钢制成，下部安装有3个球形滚轮，以方便移动。框架尺寸为2.4米宽、3米高，框架由上到下均匀安装7根圆形截面横梁，每根横梁上安装5个喷头及旋转电机，构成了均匀分布的阵列式喷头***，总数量为35个。

本发明提出的装置通过水泵提供供水压力；通过可接受模拟量控制信号的电磁流量调节阀实现降雨量的调节；通过将垂直和水平两个层级的旋转电机实现对喷头喷淋角度在两个平面里的两维度控制；通过柔性可调节软管调整喷淋***与试件的相对位置。电磁流量调节阀和旋转电机的均接收由中心计算机或自动控制器传来的控制信号，控制信号可按照真实自然条件预先编制进控制文件，从而实现对风致雨载真实、连续、精确地模拟。

Claims (1)

1.一种建筑用可自控风致雨载模拟实验装置，包括：储水箱(1)、交流电驱动水泵(5)及分水器(9)，储水箱(1)的出水口与交流电驱动水泵(5)的进口连接，其特征在于，所述模拟实验装置还包括喷淋***框架(11)，在喷淋***框架(11)上设有按阵列分布的喷头(14)，在每个喷头(14)上连接有水平旋转电机(18)，且喷头(14)与水平旋转电机(18)的电机输出轴连接，在每行水平旋转电机(18)上分别连接一根横梁(13)，每根横梁(13)与喷淋***框架(11)转动连接，在喷淋***框架(11)还设有与横梁(13)相应数量的垂直旋转电机(12)，各垂直旋转电机(12)的输出轴分别与各横梁(13)连接；在交流电驱动水泵(5)与分水器(9)之间设有电磁流量调节阀(6)，且交流电驱动水泵(5)的出水口与电磁流量调节阀(6)的入口连接，电磁流量调节阀(6)的出口与分水器(9)的入水口连接，分水器(9)的各个出水口分别与各个喷头(14)的进水口连接。

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