CN104614146A - 一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，包括依次连接的进气口、动力段、扩散段、稳定段、制冷段、水雾生成段和试验段；在所述动力段内安装有风机；在所述制冷段内设有液氮喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接构成液氮制冷***；在所述水雾生成段内的上部设有雾化气动喷嘴，所述雾化气动喷嘴与压力气源和压力水源连接；在所述雾化气动喷嘴的下方设有分流板，所述分流板的俯仰角度可调。本发明能较准确地进行大跨度空间结构受考虑实际降雪过程的风雪运动作用的模拟，同时相比于现有大型冰风洞，具有试验能耗低、效率高、构造简单、造价低、运行和维护费用低的优点。

Description

一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞

技术领域

本发明涉及一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，可用于建筑结构工程领域大跨度空间结构受考虑降雪过程的风雪两相流耦合作用的模拟和大跨度空间结构屋盖及其四周风致积雪漂移的模拟。

背景技术

以全球变暖为主要特征的气候变化导致50年甚至100年一遇的强风、暴雪等极端灾害天气频繁出现，造成风雪耦合作用荷载极值强度加大。另一方面，大跨度空间结构向轻量化、长大化、体型复杂化、屋面材料透明化等方向发展，导致其对于风雪荷载作用更加敏感。近年来，风雪荷载耦合作用和由此引起的屋盖积雪荷载不均匀分布导致大跨度空间结构坍塌事故时有发生，造成了严重的人员伤亡、经济损失以及恶劣的社会影响。从上世纪90年代开始，美国、日本等发达国家率先开展了之相关的风雪耦合作用、风致积雪漂移的研究。目前，我国一些高校和科研机构也逐步开展了此方面的研究。其中，风洞试验是进行这一领域研究的重要方法之一。风洞试验通过模型与原型之间的相似关系，使风雪运动在条件可控的实验室中得到重现。同时，在实验室中可设定不同的参数，有利于揭示物理量之间内在的变化规律。我国目前所进行的风雪运动试验研究主要采用采用两种方法，一种方法是用模拟介质来代替雪粒在常规风洞中进行试验。但由于雪粒直径较小，重量较轻，很难找到满足各种相似准则的合适介质，因此需要对相似准则进行选择性的取舍，导致试验条件与实际风雪运动条件相似度低，而且这种试验方法通常难以模拟风雪运动受降雪过程的影响，使得风洞试验的结果和实际观测结果相去甚远。另一种方法是采用能生成冰晶颗粒流动气体的大型冰风洞实验室进行试验。大型冰风洞实验室采用大型制冷设备生成低温气体，从而使气动喷嘴喷出的水颗粒转化为冰颗粒。但是此类冰风洞造价昂贵，运行和维护费用也十分高昂，所配备的大型制冷和雾化设备功率极大，导致冰风洞试验成为费用、能源均消耗很大的试验项目，一般多用于生产性试验，通常的科研试验难以承担。而且大型冰风洞试验周期较长，为了达到所需的风雪运动环境通常需要数天时间，这进一步加大了进行科研试验的时间成本。

综上，研发一种能较准确模拟考虑实际降雪过程的风雪运动环境，同时能够降低能源消耗、提高试验效率的风洞极有必要。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，该风洞能较准确地进行大跨度空间结构受考虑实际降雪过程的风雪运动作用的模拟，同时相比于现有大型冰风洞，具有试验能耗低、效率高、构造简单、造价低、运行和维护费用低的优点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，该风洞采用开口直流式，包括依次连接的进气口、动力段、扩散段、稳定段、制冷段、水雾生成段和试验段；在所述动力段内安装有风机；在所述制冷段内设有液氮喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接构成液氮制冷***；在所述水雾生成段内的上部设有雾化气动喷嘴，所述雾化气动喷嘴设有进气口和进水口，所述进气口通过压力气体管路与压力气源连接，所述进水口通过压力水管路与压力水源连接；在所述雾化气动喷嘴的下方设有分流板，所述分流板位于所述水雾生成段内的中上部，所述分流板的中部两侧均设有与所述水雾生成段的侧壁铰接的销轴，所述分流板的前后部两侧均设有与所述水雾生成段的侧壁插接的定位销。

在所述压力水管路上设置有保温加热设备。

在所述水雾生成段的出口处设有温度和流量测量装置。

在所述压力水源的出口处安装有压力水源阀门。

在所述压力气源的出口处安装有压力气源阀门。

在所述液氮源的出口处安装有液氮源阀门。

所述液氮源由杜瓦瓶及储存在其中的液氮组成。

本发明具有的优点和积极效果是：在试验段之前阶段，通过设置液氮制冷段，利用液氮进行制冷，产生生成雪颗粒所需的低温气体，将水雾生成段生成的水雾转化为冰晶，形成风雪流，经过分流板导流，从试验段上部洒落从而形成降雪环境，可在短时间内实现考虑降雪过程的风雪运动环境的模拟，能够很大程度地减少制冷所需的能源消耗，达到环保节能、提高效率的效果。并且本发明通过采用开口直流式结构，能够有效避免雪颗粒回流可能造成的动力段内风机设备、各种测量设备以及管线的损伤。同时，由于雪颗粒是在进入试验段之前生成的，对于风洞大部分阶段没有影响，试验中只需注重对于水雾生成段和试验段的养护即可。本发明可以在常规开口直流风洞基础上加装制冷段、水雾生成段和相应配套设施改造而成。相比于大型冰风洞，本发明具有试验能耗低、效率高、构造简单、造价低、运行和维护费用低的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的制冷段立体剖视图；

图3为本发明的制冷段平面剖视图；

图4为本发明的水雾生成段立体剖视图；

图5为本发明的水雾生成段平面剖视图；

图6为本发明的雾化气动喷嘴及其连接管道详图。

图中：1、进气口；2、动力段；3、扩散段；4、稳定段；5、制冷段；6、水雾生成段；7、试验段；8、液氮制冷***；9、液氮源；10、液氮管路；11、液氮源阀门；12、液氮喷头；13、水雾供给***；14、压力水源；15、压力气源；16、压力水源阀门；17、压力水管路；18、保温加热设备；19、压力气源阀门；20、压力气体管路；21、雾化气动喷嘴；22、分流板；23、温度和流量测量装置；24、试验模型。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图6，一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，该风洞采用开口直流式，包括依次连接的进气口1、动力段2、扩散段3、稳定段4、制冷段5、水雾生成段6和试验段7；在所述动力段2内安装有风机；在所述制冷段5内设有液氮喷头12，所述液氮喷头12通过液氮管路10与液氮源9连接构成液氮制冷***8；在所述水雾生成段6内的上部设有雾化气动喷嘴21，所述雾化气动喷嘴21设有进气口和进水口，所述进气口通过压力气体管路20与压力气源15连接，所述进水口通过压力水管路17与压力水源14连接；在所述雾化气动喷嘴21的下方设有分流板22，所述分流板22位于所述水雾生成段6内的中上部，所述分流板22的中部两侧均设有与所述水雾生成段6的侧壁铰接的销轴，所述分流板22的前后部两侧均设有与所述水雾生成段6的侧壁插接的定位销。

在本实施例中，在所述压力水管路17上设置有保温加热设备18。在所述水雾生成段6的出口处设有温度和流量测量装置23。在所述压力水源14的出口处安装有压力水源阀门16。在所述压力气源15的出口处安装有压力气源阀门19。在所述液氮源9的出口处安装有液氮源阀门11。所述液氮源9由杜瓦瓶及储存在其中的液氮组成。

本发明利用液氮对风洞内气流进行制冷，这种制冷方式对外界环境没有依赖，适用于任何地域任何季节，制冷快速稳定，相比于大型冰风洞，具有能耗小，成本低的优点。

上述风洞各部分的工作原理如下：

动力段2、扩散段3及稳定段4的结构和工作原理与常规风洞相同。

制冷段5内设置有液氮喷头12，所述液氮喷头12通过液氮管路10与液氮源9连接构成液氮制冷***8，在本实施例中，液氮制冷***8由液氮源9、液氮管路10和液氮源阀门11组成，提供生成雪颗粒所需的超低温液氮并由液氮喷头12喷出。液氮由液氮源9流出，经液氮管路10，从液氮喷头12喷出到风洞制冷段5内。在制冷段5内，液氮迅速汽化，产生超低温气体，并与风洞中稳定段4来流混合产生低温气体(一般为-20℃)。可通过液氮源阀门11控制液氮流量，从而调节制冷效果。

水雾生成段6内顶部设有雾化气动喷嘴21，雾化气动喷嘴21与压力水源14和压力气源15分别通过各自的管路连接构成水雾供给***13，在本实施例中，该水雾供给***13由压力水源14、压力气源15、压力水源阀门16、压力水管路17、保温加热设备18、压力气源阀门19、压力气体管路20和雾化气动喷嘴21组成，提供生成雪颗粒所需的细小水颗粒。压力气源15中的压力气体和压力水源14中的压力水分别流经各自管路进入雾化气动喷嘴21的进气口和进水口，产生细小水颗粒并由雾化气动喷嘴21喷出。可通过调节压力气源阀门19和压力水源阀门16分别控制压力气体和压力水流量，从而控制喷雾量。由于雾化气动喷嘴21受冷空气来流影响处于很低的温度之下，可能导致喷头中水体凝结，堵塞喷嘴。为防止这种现象的发生，在压力水管路17上设置保温加热装置18对管路水体加热(因为水的热导率比空气大)，使雾化气动喷嘴21喷出的水体温度不至于过低，例如使雾化气动喷嘴21喷出的水体温度达到20℃以上，从而保证雾化气动喷嘴21畅通。

分流板22位于水雾生成段6内的中上部，将水雾生成段6的内部分为上下两个区域，上部是成雪区，下部是冷气区。在上部成雪区内，制冷段5吹来的冷空气和雾化气动喷嘴21喷出的水雾混合生成雪颗粒，经分流板22导流至试验段7上部，模拟雪颗粒从上飘落的降雪过程。在下部冷气区内，制冷段5来流冷空气被直接导流至试验段7。分流板22的俯仰角可在一定范围内调节，以便对试验段7的降雪高度范围和初速度等进行调节。

在水雾生成段6的出口处设有温度和流量测量装置23，用于监测实际进入试验段7的风雪流的流量和温度。

本发明的具体使用过程如下：

试验开始，首先打开位于动力段2内的风机，在风洞内形成稳定气流。再打开压力水源阀门16和压力水管路17上的保温加热设备18，对压力水管路17进行预热并保温。待加热到达预定温度，如40℃至50℃时，关闭压力水源阀门16和保温加热设备18。打开液氮源阀门11，对风洞内流体进行制冷，将试验模型24置于试验段7内，通过位于水雾生成段6出口处的流量和温度测量装置23监测风洞内流体的温度，待流体温度降至预定值，如-20℃时，打开压力气源阀门19、压力水源阀门16以及保温加热设备18，通过雾化气动喷嘴21向水雾生成段6内喷射细小水颗粒，从而形成考虑降雪过程的风雪两相流体环境。通过调节压力气源阀门19和压力水源阀门16的开度，调节风雪流体中雪颗粒的浓度。并通过调节分流板22的俯仰角度，对试验段7内的降雪高度、范围和初速度等参数进行调节，以达到或逼近试验要求。待达到预定的试验时间后，先关闭液氮源阀门11、压力气源阀门19、压力水源阀门16以及保温加热设备18，待风洞内流体温度恢复至室温时，关闭动力段2内的风机。对试验段7内的试验模型24进行测量记录，采集试验数据，结束试验。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，该风洞采用开口直流式，其特征在于，包括依次连接的进气口、动力段、扩散段、稳定段、制冷段、水雾生成段和试验段；

在所述动力段内安装有风机；

在所述制冷段内设有液氮喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接构成液氮制冷***；

在所述水雾生成段内的上部设有雾化气动喷嘴，所述雾化气动喷嘴设有进气口和进水口，所述进气口通过压力气体管路与压力气源连接，所述进水口通过压力水管路与压力水源连接；在所述雾化气动喷嘴的下方设有分流板，所述分流板位于所述水雾生成段内的中上部，所述分流板的中部两侧均设有与所述水雾生成段的侧壁铰接的销轴，所述分流板的前后部两侧均设有与所述水雾生成段的侧壁插接的定位销。

2.根据权利要求1所述的能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，其特征在于，在所述压力水管路上设置有保温加热设备。

3.根据权利要求1所述的能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，其特征在于，在所述水雾生成段的出口处设有温度和流量测量装置。

4.根据权利要求1所述的能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，其特征在于，在所述压力水源的出口处安装有压力水源阀门。

5.根据权利要求1所述的能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，其特征在于，在所述压力气源的出口处安装有压力气源阀门。

6.根据权利要求1所述的能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，其特征在于，在所述液氮源的出口处安装有液氮源阀门。

7.根据权利要求1所述的能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，其特征在于，所述液氮源由杜瓦瓶及储存在其中的液氮组成。