CN102635385B - 一种测试曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验装置 - Google Patents

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Abstract

一种测试曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验装置，属隧道通风防灾技术领域。由适当的相似比分段制作并连接而成的曲线模型隧道和直线模型隧道、根据相似比选用的与原型曲线隧道壁面粗糙度相应的贴合在曲线模型隧道内表面的砂纸、静压测试管、带测试小孔的整流圆管、微压计、通过变频器控制的试验风机所构成，曲线模型隧道的一端与直线模型隧道连接、另一端与整流圆管连接，整流圆管与试验风机相接，静压测试管安装在曲线模型隧道的待测长度的两端点位置，整流圆管用L型皮托管与微压计相接。由风机提供试验风量，将测得的静压差值和动压值代入公式计算即可得到曲线模型隧道内的摩擦阻力系数。

Description

一种测试曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验装置
技术领域
本发明涉及隧道通风防灾技术领域的摩擦阻力系数模拟试验技术。尤其涉及曲线隧道的通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验技术。
背景技术
目前，人们在确定隧道通风沿程摩擦阻力系数时，通常的做法有三种：（1）经验取值法，即根据以往的经验数据，在某一范围内随机取值；（2）现场测试法，即通过现场的实测获得数据（参见《中国公路学报》第18卷第1期的“喷射混凝土衬砌隧道通风阻力系数测试研究”）；（3）数值计算法，即通过建立数值计算模型，通过计算机计算而得。这三种方法都存在一定的局限性。首先，经验取值法中取值范围内的摩擦阻力系数大多是对直线隧道摩擦阻力系数的累积和统计，其中鲜有曲线隧道的摩擦阻力系数数据。显然，在进行曲线隧道的通风设计时，如果采用经验取值法确定摩擦阻力系数则不可避免会造成误差，尤其在遇到曲线半径较小，而转角又很大的情况下，风流状态与直线的情况完全不同，仍然采用经验取值法就有可能造成不可接受的结果。其次，现场测试法确实能够获得较为准确的摩擦阻力系数，但它由于对施工或运营存在干扰，可能带来其它不良后果，也无法开展摩擦阻力系数与曲线半径或曲线转角间关系的研究以及类似涉及不同曲线半径或转角等的研究内容。最后，数值计算法虽然可以克服上述两种方法的不足，但在遇到曲线隧道时，由于缺乏实际的测试数据进行验证，其结果无法得到有效确认。目前，还未见有有关曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数相关的模拟测试装置的报道。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述缺点，提供一种测试曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验装置。旨在解决如何有效地测试曲线类隧道通风沿程摩擦阻力系数的难题。
本测试曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验装置由选择适当的相似比分段制作并连接而成的模拟原型曲线隧道的曲线模型隧道和供整流用的直线模型隧道、根据相似比选用的与原型曲线隧道壁面粗糙度相应的贴合在曲线模型隧道内表面的砂纸以及静压测试管、带测试小孔的整流圆管、微压计、通过变频器控制的试验风机所构成，其中，曲线模型隧道的一端与直线模型隧道密闭连接、曲线模型隧道的另一端通过过渡节与带测试小孔的整流圆管连接、整流圆管与试验风机连接且上述各连接部件的轴线处于同一水平高度，与微压计相接的静压测试管分别安装在曲线模型隧道的待测长度的两端点位置，整流圆管的测试小孔用L型皮托管与微压计相接。
在本测试曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验装置中，根据相似比分段制作的模型隧道在断面形状和曲线半径方面保证了与原型曲线隧道的几何相似性；模型隧道试验风速与原型曲线隧道待测风速之间的关系满足两个几何相似的封闭***中不可压缩流体的动力相似条件；而砂纸粗糙面的粗糙度与原型曲线隧道粗糙度保持相似。因此，根据相似理论，通过满足上述条件的模型试验所测得试验风量下的通风沿程摩擦阻力系数即与原型曲线隧道待测风速下的沿程摩擦阻力系数相吻合。
本模拟试验装置的优点是取材容易，简单可行。模拟试验得到的结果与实际数值计算结果相比较，达到了工程上可接受的精度要求。解决了开展诸如曲线类隧道通风沿程摩擦阻力系数与曲线半径或曲线转角关系等相关研究时尚无有效的模拟试验方法和模拟试验装置可用的难题。也为今后数值计算法使用范围的扩大奠定了基础。
本发明的内容结合以下实施例作更进一步地说明，但本发明的内容不仅限于本实施例中所涉及的内容。
附图说明
图1是本模拟试验装置的结构示意图
图2是安装在支架上的模型隧道、整流圆管和试验风机之间的结构示意图
图3是图1的B-B放大视图
图4是图1的A-A放大视图
具体实施方式
参见图1～4，本测试曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验装置由选择适当的相似比分段制作并连接而成的模拟原型曲线隧道的曲线模型隧道12和供整流用的直线模型隧道11、根据相似比选用的与原型曲线隧道壁面粗糙度相应的贴合在曲线模型隧道内表面的砂纸2以及静压测试管4、带测试小孔的整流圆管9、微压计16、通过变频器17控制的试验风机14所构成，其中，曲线模型隧道12的一端与直线模型隧道11密闭连接、曲线模型隧道12的另一端通过过渡节13与带测试小孔的整流圆管9连接、整流圆管9与试验风机14连接且上述各连接部件的轴线处于同一水平高度，与微压计16相接的静压测试管4分别安装在曲线模型隧道12的待测长度的两端点位置，整流圆管9两侧的水平测试小孔用两支L型皮托管18、19分别与微压计相接，整流圆管9上方的测试小孔用一支L型皮托管8与微压计相接，皮托管进风管嘴的轴线与风流截面垂直。图中10为直线模型隧道11的进风喇叭口，15为实验台，6为安装曲线模型隧道12、直线模型隧道11、整流圆管9和试验风机14的安装支架，7为皮托管支架。分段制作的曲线模型隧道每段的长度以连接后能模拟出原型隧道的曲线半径为宜。分段制作整流用直线模型隧道的好处是方便制作和运输，使用时其连接长度以满足整流需用长度即可。
本模拟试验装置以雅泸高速公路上的小半径螺旋型曲线隧道——铁寨子Ⅰ号隧道为原型曲线隧道开展了模拟验证试验。该原型曲线隧道实际壁面粗糙度为1.12cm，原型曲线隧道待测阻力系数的实际风量大小约为24m3/s。模拟试验相似比取1:24，相似换算后试验风量约为1.0m3/s；原型曲线隧道曲线半径为600m。
根据相似比，用玻璃钢一类的材料按轴线曲线长度为1m分段制作断面形状与原型曲线隧道相似、曲线半径为25m、连接后转角可达120°的曲线模型隧道12。根据相似比制作出长度足够的整流用直线模型隧道11;
根据上述原型曲线隧道壁面粗糙度和采用的相似比定制粗糙度为0.46mm的砂纸2，并将砂纸的光滑面与曲线模型隧道内表面相贴合，从而模拟出隧道壁面粗糙度;
选购内径为0.285m且长度足够的内壁光滑圆管作为整流圆管9；
按25m曲线半径及待测转角角度布置好模型隧道、整流圆管和试验风机，采用玻璃胶密封各连接接缝及接口。
接好风机14和变频器17的用电线路后将微压计调零，开启风机，利用变频器调节风量到试验风量，稳定后读取静压差值和动压值，再将获得的静压差值和动压值代入公式计算即可得到曲线模型隧道内的摩擦阻力系数。
试验结果采用了与数值计算结果相互比较的方式进行验证。试验结果与计算结果见表1。
表1试验与计算λ的比较
Figure GDA0000482202710000041
由表1可知，试验摩擦阻力系数λ1与计算摩擦阻力系数λ2之间的相对误差在3%到9%之间，平均只有5%，完全满足工程上10%的精度要求。在转角105°时出现的较大误差，可能是由于流体在转过90°的弯角时，风流流态变化较明显，而这种变化对各种因素又较为敏感，且模拟试验是在一定的假设和满足主要因素相似的条件下进行的，因此，特殊角度下λ对各因素的敏感反应和模拟本身的近似性是造成特殊角度下λ误差较大的可能原因。
综上所述，本曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数模拟试验方法是可靠和可行的，用此发明开展曲线类隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验，其结果能够满足工程应用的需要。

Claims (1)

1.一种测试曲线隧道通风沿程摩擦阻力系数的模拟试验装置，其特征是所述的模拟试验装置由选择适当的相似比分段制作并连接而成的模拟原型曲线隧道的曲线模型隧道和供整流用的直线模型隧道、根据相似比选用的与原型曲线隧道壁面粗糙度相应的贴合在曲线模型隧道内表面的砂纸以及静压测试管、带测试小孔的整流圆管、微压计、通过变频器控制的试验风机所构成，其中，曲线模型隧道的一端与直线模型隧道密闭连接、曲线模型隧道的另一端通过过渡节与带测试小孔的整流圆管连接、整流圆管与试验风机连接且上述各连接部件的轴线处于同一水平高度，与微压计相接的静压测试管分别安装在曲线模型隧道的待测长度的两端点位置，整流圆管的测试小孔用L型皮托管与微压计相接。
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