一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统及方法，包括大气边界层风洞、驻室和制冷系统，大气边界层风洞包括首尾相互连通的上流道和下流道，在上流道内布置动力段，在下流道内依次布置稳定段、收缩段和试验段，回流型风洞的拐角处均为过渡段，在动力段内设有风扇，在稳定段内设有空气换热器；驻室由隔板分隔为贮存雪颗粒的储藏间和设有雪颗粒振动播撒装置的操作间，储藏间位于稳定段上部，在储藏间内设有冷风机，操作间位于试验段上部，雪颗粒振动播撒装置播撒雪颗粒均匀落入试验段；制冷系统为驻室内的冷风机和大气边界层风洞的空气换热器输出载冷剂进行换热。本发明专利技术通过系统各部分配合使用实现自然降雪过程的模拟。然降雪过程的模拟。然降雪过程的模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统及方法


[0001]本专利技术属于建筑工程大气边界层低温风雪环境模拟领域，尤其是涉及一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统及方法。

技术介绍

[0002]雪灾亦称白灾，是长时间大范围巨量降雪引起的自然灾害。雪灾的发生一般伴随着各类次生灾害，如交通堵塞、线路损毁、粮食减产、牧场封闭和建筑倒塌等。其中，建筑倒塌因直接危及人们的生命和财产安全，受到社会的普遍关注。根据事故调查，除降雪突增，导致建筑屋面荷载远超设计值外，当气流流过建筑物时会发生复杂的分离和再附，同时改变空中飘落雪颗粒的运动轨迹，并带动屋面已存积雪发生漂移运动。风雪相互作用下会引起屋面积雪重新分布，形成局部积雪堆积，致使局部雪荷载超载，诱发建筑倒塌。据统计，受灾建筑多为大跨度空间结构等雪荷载敏感结构。大跨空间结构具有屋面结构轻，屋面面积大，雪荷载占总荷载比例大的特点，其设计往往由雪荷载控制。另一方面，大跨空间结构多应用于体育场馆、机场航站楼和火车站站房等人员十分密集、影响十分重大的公共建筑，因此，大跨空间结构的雪致工程灾害后果往往十分严重。为避免雪致建筑倒塌事故发生，深受雪灾侵害的国家地区纷纷投入大量人力物力开展雪灾预测、防控和治理等方面研究工作。目前可行的屋面雪荷载研究方法包括实地观测、风洞试验和数值模拟。其中，风洞试验凭借可控的试验环境和较高的还原程度，成为研究屋面风雪运动内在规律最高效的手段。
[0003]为正确揭示屋面积雪的堆积、演变机理，学者们陆续建立起专业气候风洞对拟真实条件下屋面积雪的堆积
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演变过程进行模拟。现有的风洞主要用于交通运输中车辆等小尺度物体覆雪研究，因此无法还原建筑等大尺度物体周边的大气边界层环境；也有的风洞由于风洞试验段截面尺寸过小，流场壁面效应显著，对三维建筑模型进行试验时，其阻塞率无法满足要求，更无法开展大跨空间结构屋面风致雪漂移研究。因此有必要设计一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统及方法，通过系统各部分即大气边界层风洞、制冷系统和驻室的配合使用实现自然降雪过程的模拟。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统，包括大气边界层风洞、驻室和制冷系统，所述的大气边界层风洞为回流型风洞，所述的驻室和制冷系统均设置在大气边界层风洞的外部，且所述的驻室设置在回流型风洞的内环空间处；
[0007]所述的大气边界层风洞包括首尾相互连通的上流道和下流道，在上流道内布置动力段，在下流道内自上游至下游依次布置稳定段、收缩段和试验段，回流型风洞的拐角处均
为过渡段，在动力段内设有风扇，在稳定段内设有空气换热器；
[0008]所述的驻室由隔板分隔为贮存雪颗粒的储藏间和设有雪颗粒振动播撒装置的操作间，所述的储藏间位于稳定段的上部，在储藏间内设有冷风机，所述的操作间位于试验段的上部，雪颗粒振动播撒装置播撒雪颗粒均匀落入试验段；
[0009]所述的制冷系统为驻室内的冷风机和大气边界层风洞的稳定段的空气换热器输出载冷剂进行换热；
[0010]所述的制冷系统包括冷源系统，所述冷源系统包括一次循环系统、二次循环系统和冷却循环系统，所述的一次循环系统包括制冷机组、一次冷冻水泵、缓冲罐、一次循环载冷剂进缓冲罐管路、一次循环载冷剂出缓冲罐管路、载冷剂进制冷机组管路和载冷剂出制冷机组管路，所述二次循环系统包括二次冷冻水泵、二次循环载冷剂进缓冲罐管路、二次循环载冷剂出缓冲罐管路、载冷剂进换热器管路和载冷剂出换热器管路，通过冷却循环系统维持制冷机组工作时所需的冷凝量；
[0011]制冷机组的出液口通过载冷剂出制冷机组管路与一次冷冻水泵的进液口连通，一次冷冻水泵的出液口通过一次循环载冷剂进缓冲罐管路与缓冲罐的冷端进液口连通，所述缓冲罐的冷端出液口通过一次循环载冷剂出缓冲罐管路与载冷剂进制冷机组管路连通，所述载冷剂进制冷机组管路与制冷机组的进液口连通，缓冲罐的热端出液口通过二次循环载冷剂出缓冲罐管路与二次冷冻水泵的进液口连通，二次冷冻水泵的出液口通过载冷剂进换热器管路为冷风机和空气换热器换热，换热后的载冷剂通过载冷剂出换热器管路与二次循环载冷剂进缓冲罐管路进入缓冲罐的热端进液口。
[0012]进一步的，下流道内的试验段的净截面尺寸为2m
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2m。
[0013]进一步的，在稳定段内设置蜂窝器和阻尼网，在过渡段内设有导流片。
[0014]进一步的，所述的操作间底部可开合，且在操作间内设有用以安置雪颗粒振动播撒装置的滑轨。
[0015]进一步的，所述上流道、下流道和驻室均采用保温库板拼接结构形式，且在拼接缝处涂密封胶，在拼接结构外部采用钢结构框架。
[0016]进一步的，所述大气边界层风洞通过若干钢结构框架支撑在基础上。
[0017]进一步的，在载冷剂进换热器管路和二次循环载冷剂出缓冲罐管路之间设有连通管路，且在连通管路上设有第一调节阀，在载冷剂进换热器管路上设有第二调节阀。
[0018]进一步的，所述冷却循环系统包括冷却塔、冷却水泵、冷却塔进水管路、冷却塔出水管路、冷凝器进水管路和冷凝器出水管路，所述冷却塔通过冷却塔出水管路与冷却水泵的进水口连通，冷却水泵的出水口通过冷凝器进水管路与制冷机组的冷端进水口连通，制冷机组的冷端出水口与冷凝器出水管路连通，所述冷凝器出水管路与冷却塔进水管路连通，所述冷却塔进水管路与冷却塔的进水口连通。
[0019]一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统的工作方法，具体包括以下步骤：
[0020]步骤1)低温环境模拟：试验过程中，首先根据试验温度，设定缓冲罐的温度值，制冷机组根据缓冲罐设定温度，调节制冷载荷，使制冷机组输出的载冷剂温度和缓冲罐设定的温度一致，并通过一次冷冻水泵将一定温度载冷剂输送入缓冲罐，缓冲罐达到设定温度后，启动二次冷冻水泵，载冷剂经由二次冷冻水泵供压，进入空气换热器和驻室内冷风机实
现换热；
[0021]载冷剂出空气换热器和冷风机后温度升高，通过第一调节阀的开启度调节和第二调节阀的开启度调节，实现冷量的匹配和快速响应，即当试验所需冷量较大时，第二调节阀开度较大，第一调节阀开度较小，载冷剂通过载冷剂进换热器管路以大流量状态流入空气换热器，维持试验所需温度；当试验所需冷量较小时，第二调节阀开度较小，第一调节阀开度较大，载冷剂通过载冷剂进换热器管路以小流量状态流入空气换热器，维持试验所需温度；根据试验温度，自动调节第一调节阀的开启度和第二调节阀(50)的的开启度，进而调节进入空气换热器和冷风机的载冷剂温度，最终实现试验段内的温度控制，从而实现低温环境的模拟；
[0022]步骤2)低温风环境模拟：在步骤1)实现用于模拟降雪试验所需要的低温环境条件后，试验段风环境主要由动力系统提供，其中，电机驱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统，其特征在于：包括大气边界层风洞(1)、驻室(3)和制冷系统(2)，所述的大气边界层风洞(1)为回流型风洞，所述的驻室(3)和制冷系统(2)均设置在大气边界层风洞(1)的外部，且所述的驻室(3)设置在回流型风洞的内环空间处；所述的大气边界层风洞(1)包括首尾相互连通的上流道(10)和下流道(11)，在上流道(10)内布置动力段(9)，在下流道(11)内自上游至下游依次布置稳定段(5)、收缩段(6)和试验段(7)，回流型风洞的拐角处均为过渡段(8)，在动力段(9)内设有风扇(25)，在稳定段(5)内设有空气换热器(18)；所述的驻室(3)由隔板(19)分隔为贮存雪颗粒的储藏间(20)和设有雪颗粒振动播撒装置(24)的操作间(21)，所述的储藏间(20)位于稳定段(5)的上部，在储藏间(20)内设有冷风机(22)，所述的操作间(21)位于试验段(7)的上部，雪颗粒振动播撒装置(24)播撒雪颗粒均匀落入试验段(7)；所述的制冷系统(2)为驻室(3)内的冷风机(22)和大气边界层风洞(1)的稳定段(5)的空气换热器(18)输出载冷剂进行换热；所述的制冷系统(2)包括冷源系统(27)，所述冷源系统(27)包括一次循环系统(28)、二次循环系统(29)和冷却循环系统(30)，所述的一次循环系统(28)包括制冷机组(31)、一次冷冻水泵(32)、缓冲罐(33)、一次循环载冷剂进缓冲罐管路(34)、一次循环载冷剂出缓冲罐管路(44)、载冷剂进制冷机组管路(35)和载冷剂出制冷机组管路(45)，所述二次循环系统(29)包括二次冷冻水泵(36)、二次循环载冷剂进缓冲罐管路(37)、二次循环载冷剂出缓冲罐管路(46)、载冷剂进换热器管路(38)和载冷剂出换热器管路(47)，通过冷却循环系统(30)维持制冷机组(31)工作时所需的冷凝量；制冷机组(31)的出液口通过载冷剂出制冷机组管路(45)与一次冷冻水泵(32)的进液口连通，一次冷冻水泵(32)的出液口通过一次循环载冷剂进缓冲罐管路(34)与缓冲罐(33)的冷端进液口连通，所述缓冲罐(33)的冷端出液口通过一次循环载冷剂出缓冲罐管路(44)与载冷剂进制冷机组(35)管路连通，所述载冷剂进制冷机组管路(35)与制冷机组的进液口连通，缓冲罐(33)的热端出液口通过二次循环载冷剂出缓冲罐管路(46)与二次冷冻水泵(36)的进液口连通，二次冷冻水泵(36)的出液口通过载冷剂进换热器管路(38)为冷风机(22)和空气换热器(18)换热，换热后的载冷剂通过载冷剂出换热器管路(47)与二次循环载冷剂进缓冲罐管路(37)进入缓冲罐(33)的热端进液口。2.根据权利要求1所述的一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统，其特征在于：下流道(11)内的试验段(7)的净截面尺寸为2m
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2m。3.根据权利要求1所述的一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统，其特征在于：在稳定段(5)内设置蜂窝器(16)和阻尼网(17)，在过渡段(8)内设有导流片(26)。4.根据权利要求1所述的一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统，其特征在于：所述的操作间(21)底部可开合，且在操作间(21)内设有用以安置雪颗粒振动播撒装置(24)的滑轨(23)。5.根据权利要求1所述的一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统，其特征在于：所述上流道(10)、下流道(11)和驻室(3)均采用保温库板(12)拼接结构形式，
且在拼接缝处涂密封胶，在拼接结构外部采用钢结构框架(14)。6.根据权利要求1所述的一种用于风雪模拟的大尺度低温可控大气边界层试验系统，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：范峰，张清文，莫华美，张国龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：