一种风吹雪试验测试系统及其试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种风吹雪试验测试系统及其试验方法，属于雪工程、土木防灾减灾工程领域，包括风洞外的可控式颗粒集放一体化装置和风洞内的三维阵列式激光数采系统。解决了风吹雪试验时降雪颗粒的自动集放与高精度三维测量；可实现级配可控的降雪模拟、三维积雪形态的阵列式扫描采集及积雪质量输运的持续监测，为研究多种降雪条件下的风致雪漂试验提供了系统的测试装置和方法。系统的测试装置和方法。系统的测试装置和方法。

【技术实现步骤摘要】
一种风吹雪试验测试系统及其试验方法


[0001]本专利技术属于雪工程、土木防灾减灾工程领域，具体涉及一种风吹雪试验测试系统及其试验方法。

技术介绍

[0002]准确预测风致雪漂移积雪分布对结构设计具有重要意义。目前研究风致雪漂移的技术包括风洞试验、野外实测与数值模拟。野外实测对试验场地的环境要求比较严格，数值模拟方法在模拟湍流时，部分模型精度不够且有效性还需要通过现场观测与风洞试验验证。而风洞试验方式可以控制试验条件，满足主要相似参数，是一种可以接受的风致雪漂移积雪模拟方法，在一定程度上克服了野外实测的一些不足。因此一套完整的风吹雪试验测试装置系统及其试验方法变得格外重要。
[0003]为解决上述存在的问题，现有公开专利一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞(申请号201520060819.7)、风致颗粒物漂移的风洞试验设备(申请号202010598582.3)与一种自然降雪风洞模拟试验装置(申请号201810100202.1)，以上专利为解决降雪模拟，均采用振动筛网技术，该技术通过筛网的振动实现颗粒物储存与释放，释放量则通过改变振动速度及筛网孔径进行调节，同时该技术解决了颗粒物堵塞问题；但此技术适用于较大风洞，同时在实施过程中易改变颗粒级配，且物料补充不便。
[0004]上述风吹雪试验相关专利解决的主要问题均是降雪模拟，未解决积雪堆积形态及输运等关键信息采集问题。目前风致雪漂移积雪形态还原，基本采用倾斜摄影技术进行三维还原，精度有限。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种风吹雪试验测试系统及其试验方法，可实现雪颗粒自动提升填充及定量释放；高精度还原积雪堆积形态并持续监测积雪质量输运，以解决目前风吹雪试验均是降雪模拟，未解决积雪堆积形态及输运等关键信息采集的问题。
[0006]为实现本专利技术目的，采用的技术方案为：一种风吹雪试验测试系统及其试验方法，包括风洞外的可控式颗粒集放一体化装置和风洞内的三维阵列式激光数采系统；
[0007]可控式颗粒集放一体化装置包括雪颗粒传送提升组件和雪颗粒释放箱，雪颗粒释放箱位于雪颗粒传送提升组件的出口与风洞顶部之间；雪颗粒释放箱包括储雪箱、控流开关和伸入风洞的分流漏斗，储雪箱具有上口和下口，下口处设置所述控流开关，分流漏斗对接在下口下端；
[0008]三维阵列式激光数采系统包括位于风洞内上部的积雪堆积形态阵列式扫描系统、和位于风洞内底部的积雪质量输运监测设备；积雪堆积形态阵列式扫描系统包括悬架、在悬架上滑动设置的方架、在方架上的激光阵列扫描装置和驱动激光阵列扫描装置转动的转动装置，激光阵列扫描装置包括夹具体、阵列在夹具体上的激光仪和驱动夹具体移动的驱动机构；
[0009]积雪质量输运监测设备包括包括建筑模型、荷载传递架及放置于风洞地面的质量传感器；荷载传递架放置于质量传感器上，建筑模型放置于荷载传递架上。
[0010]作为进一步可选方案，所述储雪箱内的上口处水平并排设置有多个滚筒，滚筒转动支承于储雪箱，滚筒为半圆状腔体。
[0011]作为进一步可选方案，所述控流开关包括两个相对设置的开合板和驱动两个开合板相对运动的开合机构，储雪箱的内壁固定有支撑开合板的多个撑杆；开合机构包括履带、固定于储雪箱的滑轨、分别与两个开合板固定的两个开合夹具、分别与两个开合夹具固定的两个异形夹具、两个固定于储雪箱的U形导轨，两个开合夹具分别与滑轨滑动配合，两U形导轨分别对应在履带的两侧，两个异形夹具的一端分别与两开合夹具固定，另一端分别具有啮合在履带两侧的啮合齿、并分别与两U形导轨滑动配合。
[0012]作为进一步可选方案，所述分流漏斗包括与储雪箱对接的U形斗口和排布在U形斗口下端的多个分流管。
[0013]作为进一步可选方案，所述悬架可调节固定在风洞的侧壁，方架上固定有圆形导轨装置，圆形导轨装置包括圆形导轨和滑动配合在圆形导轨上的多个圆弧滑块，转动装置固定于圆弧滑块、并通过圆弧滑块沿圆形导轨滑动设置。
[0014]作为进一步可选方案，所述转动装置包括固定于圆弧滑块的齿圈、与齿圈相啮合的动力齿轮；激光阵列扫描装置的所述驱动机构安装在圆弧滑块上。
[0015]作为进一步可选方案，所述驱动机构为滚珠丝杆机构，夹具体固定在滚珠丝杆机构的丝杆螺母上。
[0016]作为进一步可选方案，所述雪颗粒传送提升组件包括液压升降架、液压升降架上倾斜设置的传送箱、驱动传送箱传送的动力滚轴、支撑传送箱的支撑滚轴，传送箱通过动力滚轴和支撑滚轴安装于液压升降架上部，液压升降架底部设置有万向轮。
[0017]本专利技术还提供一种风吹雪试验测试系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0018]S1.根据风洞试验研究的相似标准，确定以下参数：
[0019]①
模型缩尺比为1/20～1/300；同时应满足几何相似要求，即模型与原型的几何尺寸和特征尺寸之比相等，其形式为：其中：l表示模型的几何尺寸，L表示特征尺寸，下角标m、p分布表示模型和原型；
[0020]②
通过尖劈、锯齿形挡板、粗糙元对流场进行模拟，根据场地类别使接近气流为一个正确的风速坡面，且流场完全为粗糙流，同时需保证粗糙高度雷诺数大于30，具体计算式：
[0021][0022]其中：u
*t
为阈值剪切速度；g为重力加速度；v为运动粘性系数；
[0023]③
当粒子从粒子床喷射进入空气中后，需要保证粒子的运动轨迹相似，因此需要保证作用在粒子上的力相似，密度弗劳德数在模型和原型中保持恒定，公式如下：
[0024][0025]其中：ρ为空气密度，ρ
s
为粒子密度，d为粒子直径；
[0026]为了正确模拟顶板表面的剪应力分布，从而得到正确的侵蚀/沉积模式，还应该确保模型与原型之间积雪表面的剪切应力相似，表示为下式：
[0027][0028]当粒子从粒子床喷射进入空气中后，需要保证粒子的运动轨迹相似，因此需要保证作用在粒子上的力相似，因此在模型和原型中需要惯性力与重力之比相似，表示为下式:
[0029][0030]粒子在空气中运动时，还会受到阻力作用，此时，应该保证面模型粒子和原型粒子的阻力和惯性力之比相似，表示为下式：其中w
f
是雪粒子的最终下落速度；
[0031]④
降雪强度采用以下方式进行标定：
[0032]首先，待流场稳定后，打开控流开关，肉眼观测落雪大致区域，确定之后将降飘雪收集盒放置在降雪分布较均匀处，飘雪收集盒放置在荷载传递架上，从而可以实时监测飘雪收集盒内飘雪的质量；
[0033]其次，经过时间t后，即得到飘雪收集盒内积雪M
‑
t曲线分布图，给定飘雪收集盒水平截面面积为Axy，飘雪收集盒内颗粒堆积密度为ρ
v
，由此，计算得到该条件下降雪强度：S＝M/(A
xy
ρ
v
t)，通过调整控流开关打开大小，确定合适的降雪强度，并满足以下相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风吹雪试验测试系统，其特征在于，包括风洞外的可控式颗粒集放一体化装置和风洞内的三维阵列式激光数采系统；可控式颗粒集放一体化装置包括雪颗粒传送提升组件和雪颗粒释放箱，雪颗粒释放箱位于雪颗粒传送提升组件的出口与风洞顶部之间；雪颗粒释放箱包括储雪箱、控流开关和伸入风洞的分流漏斗，储雪箱具有上口和下口，下口处设置所述控流开关，分流漏斗对接在下口下端；三维阵列式激光数采系统包括位于风洞内上部的积雪堆积形态阵列式扫描系统、和位于风洞内底部的积雪质量输运监测设备；积雪堆积形态阵列式扫描系统包括悬架、在悬架上滑动设置的方架、在方架上的激光阵列扫描装置和驱动激光阵列扫描装置转动的转动装置，激光阵列扫描装置包括夹具体、阵列在夹具体上的激光仪和驱动夹具体移动的驱动机构；积雪质量输运监测设备包括包括建筑模型、荷载传递架及放置于风洞地面的质量传感器；荷载传递架放置于质量传感器上，建筑模型放置于荷载传递架上。2.根据权利要求1所述的风吹雪试验测试系统，其特征在于，所述储雪箱内的上口处水平并排设置有多个滚筒，滚筒转动支承于储雪箱，滚筒为半圆状腔体。3.根据权利要求1所述的风吹雪试验测试系统，其特征在于，所述控流开关包括两个相对设置的开合板和驱动两个开合板相对运动的开合机构，储雪箱的内壁固定有支撑开合板的多个撑杆；开合机构包括履带、固定于储雪箱的滑轨、分别与两个开合板固定的两个开合夹具、分别与两个开合夹具固定的两个异形夹具、两个固定于储雪箱的U形导轨，两个开合夹具分别与滑轨滑动配合，两U形导轨分别对应在履带的两侧，两个异形夹具的一端分别与两开合夹具固定，另一端分别具有啮合在履带两侧的啮合齿、并分别与两U形导轨滑动配合。4.根据权利要求1所述的风吹雪试验测试系统，其特征在于，所述分流漏斗包括与储雪箱对接的U形斗口和排布在U形斗口下端的多个分流管。5.根据权利要求1所述的风吹雪试验测试系统，其特征在于，所述悬架可调节固定在风洞的侧壁，方架上固定有圆形导轨装置，圆形导轨装置包括圆形导轨和滑动配合在圆形导轨上的多个圆弧滑块，转动装置固定于圆弧滑块、并通过圆弧滑块沿圆形导轨滑动设置。6.根据权利要求5所述的风吹雪试验测试系统，其特征在于，所述转动装置包括固定于圆弧滑块的齿圈、与齿圈相啮合的动力齿轮；激光阵列扫描装置的所述驱动机构安装在圆弧滑块上。7.根据权利要求1所述的风吹雪试验测试系统，其特征在于，所述驱动机构为滚珠丝杆机构，夹具体固定在滚珠丝杆机构的丝杆螺母上。8.根据权利要求1所述的风吹雪试验测试系统，其特征在于，所述雪颗粒传送提升组件包括液压升降架、液压升降架上倾斜设置的传送箱、驱动传送箱传送的动力滚轴、支撑传送箱的支撑滚轴，传送箱通过动力滚轴和支撑滚轴安装于液压升降架上部，液压升降架底部设置有万向轮。9.一种权利要求1
‑
8中任一项所述风吹雪试...

【专利技术属性】
技术研发人员：余志祥，刘志祥，何欢，陈肖笑，陈杨，赵雷，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：