CN101561343B - 自然通风盐水模型实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种自然通风盐水模型实验装置，其特点是：设置盐水储箱、清水箱和高位盐水箱，高位盐水箱与盐水储箱连接，在清水箱内设置的模型建筑水槽内放置模型建筑，置于模型建筑上方的分液器通过其上的闸阀与模型建筑对应的盐水进口连通，分液器通过管路的闸阀、流量计和调节阀与高位盐水箱连通，在集水箱内置的潜水泵与清水箱连通，利用本装置能在缩尺模型实验中用盐水在重力驱动下的向下运动模拟热空气由浮力驱动的向上运动，用盐水和清水产生的密度差来模拟实际建筑内的温度场，清水比拟周围环境的冷空气，盐水比拟房间内热源。已知模型和实型建筑中相应变量的比例，就能通过模型实验来预测实际建筑内的温度场和通风量，使模拟结果与实际情况相似，且成本低。

Description

自然通风盐水模型实验装置

技术领域

本发明涉及通风领域，是一种自然通风盐水模型实验装置。

背景技术

进入21世纪，人们愈加追求高品质的生活环境，空调的利用在创造了舒适的室内环境的同时，也造成了巨大的能源消耗。据权威资料显示，建筑能耗的总量在全国能源总消费中所占的比例，已由上世纪70年代末的10％，上升到近几年的约28％，预计很快将上升到35％。如果加上间接消耗的能源，目前这一比例已超过了46％，而空调能耗又约占建筑能耗的50％～60％左右。能源危机成为制约着人类社会发展的关键因素。此外，空调对人们的健康也形成了一定的威胁，空调病就是随着空调发展应运而生的。所以目前人们在追求舒适的生活环境的同时，更重视能源的可持续利用，更关心自身健康，渴望接近自然。自然通风得到了广泛关注，但因其受建筑周围环境的影响较大，现场测试难以捕捉自然通风的规律，现有技术一般采用计算机数值模拟和空气实验法对自然通风特性进行研究，空气实验法难以显示房间内的温度场，存在着模拟结果与实际情况误差太大，实验研究成本高等不足。

发明内容

本发明的目的是，提供一种适合研究热压和风压共同作用时的自然通风现象，真实显示房间内的温度场，使模拟结果与实际情况相似，且成本低的自然通风盐水模型实验装置。

为实现上述发明的目的，依据相似理论，以盐水和清水之间的密度差模拟空气的温度差，用盐水在清水中的运动模拟实际建筑中热羽流的运动；根据传热和传质过程的类比特性，模型建筑采用了渗透性板壁，用来模拟墙体传热过程，实验过程中在盐水中加入染料，能够清晰地观察到羽流的发生和发展过程，运动规律以及相互作用。并采用以下技术方案来实现：

一种自然通风盐水模型实验装置，其特征是：在平台25上设置盐水储箱1、清水箱3，设置高位盐水箱2，高位盐水箱2上设置的限位液面管路与盐水储箱1连通，高位盐水箱2的第一盐水出口通过管路、管路上设置的第一闸阀b、第一调节阀a和第一泵5与盐水储箱1的盐水出口连接，在清水箱3内设置模型建筑水槽21，模型建筑水槽21的一侧为滤水筛网10，在清水箱3内、位于模型建筑水槽21的滤水筛网10外侧设置弧形导流板11，在模型建筑水槽21内放置模型建筑4，模型建筑4上设有进、出水口，在模型建筑4的上方设置分液器8，分液器8的下端设置的若干根盐水分配管路分别通过其上设置的闸阀12与模型建筑4对应的盐水进口连通，在模型建筑4对应的盐水进口均连接有喷嘴16，分液器8的盐水进口通过管路、管路上依次设置的上闸阀f、流量计6、下闸阀e、第二调节阀d与高位盐水箱2的第二盐水出口连通，在清水箱3的溢流板9侧固连有集水箱20，在集水箱20内置有潜水泵19，潜水泵19的出水口与清水箱3连通，集水箱20的上进水口通过管路及管路上设置的第二闸阀h、第三调节阀g与补水箱7的出水口连接，集水箱20的下进水口通过管路及管路上设置的第三闸阀k、第三调节阀g与补水箱7的出水口连接，在所述的分液器8上设有排气阀22。所述高位盐水箱2的第一盐水出口通过管路及管路上设置的第四闸阀c与其第二盐水出口连通。在所述盐水储箱1的箱底设置盐水排污阀23。在所述清水箱3箱底设置排污阀24。在所述模型建筑4的顶盖13上设有若干个导电率测孔26。

本发明依据相似性的理论，建筑物内热源引发的热空气，受浮力驱动，形成浮力羽流；盐水在清水中的运动，在重力的作用下形成重力流的事实，利用本发明的自然通风盐水模型实验装置，能在缩尺模型实验中用盐水在重力驱动下的向下运动模拟热空气由浮力驱动的向上运动，用盐水和清水产生的密度差来模拟实际建筑内的温度场，清水比拟周围环境的冷空气，盐水比拟房间内热源。已知模型和实型建筑中相应变量的比例，就能够通过模型实验来预测实际建筑内的温度场和通风量，热压和风压共同作用时的自然通风现象，真实显示房间内的温度场，使模拟结果与实际情况相似，且成本低。

附图说明

图1为自然通风盐水模型实验装置结构示意图。

图2为图1中喷嘴16结构示意图。

图3为图1中模型建筑4俯视示意图。

图中：1盐水储箱、2高位盐水箱、3清水箱、4模型建筑、5第一泵、6流量计、7补水箱、8分液器、9溢流板、10滤水筛网、11弧形导流板、12闸阀、13顶盖、14四周壁板、15卡槽、16喷嘴、17喷嘴体、18网板、19潜水泵、20集水箱、21模型建筑水槽、22排气阀、23盐水排污阀、24排污阀、25平台板、a第一调节阀、b第一闸阀、c第四闸阀、d第二调节阀、e下闸阀、f上闸阀、g第三调节阀、h第二闸阀、k第三闸阀。

具体实施方式

下面利用附图和实施例对本发明作进一步描述。

参照图1-3，本发明的自然通风盐水模型实验装置包括在平台25上设置盐水储箱1、清水箱3，设置高位盐水箱2，高位盐水箱2上设置的限位液面管路与盐水储箱1连通，高位盐水箱2的第一盐水出口通过管路、管路上设置的第一闸阀b、第一调节阀a和第一泵5与盐水储箱1的盐水出口连接。在清水箱3内设置模型建筑水槽21，模型建筑水槽21的一侧为滤水筛网10，在清水箱3内、位于模型建筑水槽21的滤水筛网10外侧设置弧形导流板11。在模型建筑水槽21内放置模型建筑4，模型建筑4包括用卡槽连接的四周壁板14和顶盖13，模型建筑4的四周壁板14采用渗透性板壁。模型建筑4上设有进、出水口，在模型建筑4的顶盖13上方设置分液器8，分液器8的下端设置的若干根盐水分配管路分别通过其上设置的闸阀12与模型建筑4的顶盖13上对应的盐水进口连通，在模型建筑4对应的盐水进口均连接有喷嘴16，喷嘴16的喷嘴体17为方形体，在喷嘴体17的盐水出口设置网板18，盐溶液流过一个狭窄的开口，然后流经较大的方形空腔，最后经过一层致密的网板18后从管口流出。分液器8的盐水进口通过管路、管路上依次设置的上闸阀f、流量计6、下闸阀e、第二调节阀d与高位盐水箱2的第二盐水出口连通，流量计6为转子流量计。在清水箱3的溢流板9侧固连有集水箱20，在集水箱20内置有潜水泵19，潜水泵19的出水口与清水箱3连通，集水箱20的上进水口通过管路及管路上设置的第二闸阀h、第三调节阀g与补水箱7的出水口连接，集水箱20的下进水口通过管路及管路上设置的第三闸阀k、第三调节阀g与补水箱7的出水口连接。在所述的分液器8上设有排气阀22。所述高位盐水箱2的第一盐水出口通过管路及管路上设置的第四闸阀c与其第二盐水出口连通。在所述盐水储箱1的箱底设置盐水排污阀23。在所述清水箱3箱底设置排污阀24。在所述模型建筑4的顶盖13上设有若干个导电率测孔26，使用电导率仪通过若干个导电率测孔26测量模型建筑4内不同位置的电导率。本发明的自然通风盐水模型实验装置以第一泵5为动力，使清水箱3内的水循环流动，用流动的水模拟实际建筑周围的风压作用。设置溢流板9、弧形导流板11和滤水筛网10是为了使水流均匀，减少扰动。在盐水储箱1中加入色素，就可以在模型建筑4中观察到分层现象；实验中可以调节盐水浓溶液的释放速度，用转子流量计6测量盐水浓溶液的流量，用以模拟实际建筑不同强度的热源；用电导率仪伸入模型建筑4的顶盖13上设有的若干个导电率测孔26，测量模型建筑4内不同位置的电导率，通过电导率换算成盐水溶液的密度和浓度，用以模拟实际建筑内的空气密度分布或温度分布。

本发明依据相似性的理论，建筑物内热源引发的热空气，受浮力驱动，形成浮力羽流；盐水在清水中的运动，在重力的作用下形成重力流。在盐水和空气两种流动中，羽流体积流量为V，密度为ρ+Δρ，周围流体的密度为ρ，受到向下的力g(ρ+Δρ)V和一个向上的力ρgV，这两个力之差称为浮力ΔρgV。因此，羽流的加速度为gΔρ/(ρ+Δρ)，当密度差Δρ很小时，称g′＝gΔρ/ρ为折减重力加速度。

在实型建筑中，羽流的浮力通量B_F取决于空气中的热源功率W

B_F＝gβW/ρc_p                                          (1)

式中，β是热扩散系数，c_p是空气比热。

在模型中，浮力通量B_M取决于密度为ρ+Δρ的盐水流量Q₀。

$B_M=\frac{Q_0\mathrm{g\Δ\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_M}---\left(2\right)$

模型和实型各变量之间的量纲分析和相似分析，与实验过程相关的变量为：重力加速度g′，流体密度差Δρ，浮力通量B，运动粘性系数v，空气的热扩散率和盐在清水中的扩散率D，特征长度L。把密度，长度和时间作为基本量纲，根据布金汉π定理得到三个无量纲π项：

${\mathrm{\π}}_1=\frac{(\mathrm{g\Δ\ρ}/\mathrm{\ρ})L}{{(B/L)}^{2/3}}=\frac{g^{\′}L}{{\mathrm{\υ}}^2}$

${\mathrm{\π}}_2=\frac{H{(B/L)}^{1/3}}{v}=\frac{\mathrm{L\υ}}{v}---\left(3\right)$

${\mathrm{\π}}_3=\frac{L{(B/L)}^{1/3}}{D}=\frac{\mathrm{L\υ}}{D}$

无量纲项π₁也被许多作者称为Ar数，表征由介质密度差引起的浮力和粘性摩擦力的比。π₂表示惯性力与粘性力之比，是决定流场力相似的主要参数，表示为Re数。π₃表示惯性力与扩散力之比，表示为Pe数。Pe数相等或者说Pr和Sc相等可以满足能量相似，Pr和Sc是流体的物理特性，决定气流的温度分布与盐水浓度扩散的相似特性。

在自然对流中，流体运动主要是由浮力驱动的，Gr数是决定流态的重要参数，它代表浮力与粘性力的比例，自然对流的物理本质决定了惯性力与浮力之比为常数，也就是代表浮力与惯性力之比的Ra＝Gr/R²e应为常数，于是Gr∝R²e。因而满足Re数相似准则，也就满足了Gr数相似准则。Re或者Gr都能用来判断缩尺模型和实型中流动的粘性力的相对重要性。Re用于验证模型和实型中的流动是紊流。当Re和Pe超过10³时，忽略粘性和热扩散的影响，在重力流动中Re数超过500时产生无粘性现象。

(B/L)^1/3包含速度υ量纲，由(B_F/L_F)^2/3～g′_FL_F，(B_M/L_M)^2/3～g′_ML_M，代入到g′＝gΔρ/ρ可得加速度之比为：

$\frac{g_F^{\′}}{g_M^{\′}}=\frac{{(\mathrm{\Δ\ρ}/\mathrm{\ρ})}_F}{{(\mathrm{\Δ\ρ}/\mathrm{\ρ})}_M}=\frac{{(B_F/B_M)}^{2/3}}{{(L_F/L_M)}^{5/3}}---\left(5\right)$

假设对于空气来说，相对密度增量和温度增量成正比，实型建筑内各点的温度差ΔT表达为：

$\mathrm{\ΔT}=T{\left(\frac{B_F}{B_M}\right)}^{2/3}{\left(\frac{L_M}{L_F}\right)}^{5/3}{\left(\frac{\mathrm{\Δ\ρ}}{\mathrm{\ρ}}\right)}_M---\left(6\right)$

通过测量缩尺模型中进风口和排风口的盐浓度，实型建筑中的通风量G_F由模型通风量G_M算出。设G_s为通风量比尺，即：

G_s＝G_F/G_M＝L_s ³/t_s                                     (7)

式中L_s是长度比尺；t_s是时间比尺，用长度比尺和折减重力加速度g′表示为：

t_s＝(L_F/g′_F)^1/2/(L_M/g′_M)^1/2                        (8)

结合方程(5)和(8)，

$t_s=L_s^{4/3}{\left(\frac{B_M}{B_F}\right)}^{1/3}---\left(9\right)$

把方程(9)代入方程(7)，实型建筑的通风量表达式为：

$G_F=G_M{\left(\frac{\mathrm{\ΔT}}{T}\right)}^{1/2}\frac{{L_s}^{5/2}}{{(\mathrm{\Δ\ρ}/\mathrm{\ρ})}_M^{1/2}}---\left(10\right)$

本发明的技术特点有以下几点：

(1)根据相似理论，在缩尺模型中用盐水在重力驱动下的向下运动模拟热空气由浮力驱动的向上运动，用盐水和清水产生的密度差来模拟实际建筑内的温度场，盐水比拟房间内的热源，清水比拟周围环境的空气。

(2)在盐水中加色素，实验过程中能够观察到自然通风房间内气流发展变化情况和建筑内的热分层现象。

(3)用电导率仪测量模型建筑内不同位置的电导率，通过电导率换算成盐水溶液的密度和浓度，用以模拟实际建筑内的空气密度分布或温度分布。

(4)基于传热和传质类比的特性，模型建筑采用了渗透性板壁，通过板壁渗透传质过程来模拟墙体传热过程。

(5)通过潜水泵驱动，用清水箱内流动的水来模拟实际建筑周围的风压作用。

Claims (5)

1.一种自然通风盐水模型实验装置，其特征是：在平台(25)上设置盐水储箱(1)、清水箱(3)，设置高位盐水箱(2)，高位盐水箱(2)上设置的限位液面管路与盐水储箱(1)连通，高位盐水箱(2)的第一盐水出口通过管路、管路上设置的第一闸阀(b)、第一调节阀(a)和第一泵(5)与盐水储箱(1)的盐水进口连接，在清水箱(3)内设置模型建筑水槽(21)，模型建筑水槽(21)的一侧为滤水筛网(10)，在清水箱(3)内、位于模型建筑水槽(21)的滤水筛网(10)外侧设置弧形导流板(11)，在模型建筑水槽(21)内放置模型建筑(4)，模型建筑(4)上设有进、出水口，在模型建筑(4)的上方设置分液器(8)，分液器(8)的下端设置的若干根盐水分配管路分别通过其上设置的闸阀(12)与模型建筑(4)对应的盐水进口连通，在模型建筑(4)对应的盐水进口均连接有喷嘴(16)，分液器(8)的盐水进口通过管路、管路上依次设置的上闸阀(f)、流量计(6)、下闸阀(e)、第二调节阀(d)与高位盐水箱(2)的第二盐水出口连通，在清水箱(3)的溢流板(9)侧固连有集水箱(20)，在集水箱(20)内置有潜水泵(19)，潜水泵(19)的出水口与清水箱(3)连通，集水箱(20)的上进水口通过管路及管路上设置的第二闸阀(h)、第三调节阀(g)与补水箱(7)的出水口连接，集水箱(20)的下进水口通过管路及管路上设置的第三闸阀(k)、第三调节阀(g)与补水箱(7)的出水口连接，在所述的分液器(8)上设有排气阀(22)。

2.根据权利要求1所述的自然通风盐水模型实验装置，其特征是：所述高位盐水箱(2)的第一盐水出口通过管路及管路上设置的第四闸阀(c)与其第二盐水出口连通。

3.根据权利要求1所述的自然通风盐水模型实验装置，其特征是：在所述盐水储箱(1)的箱底设置盐水排污阀(23)。

4.根据权利要求1所述的自然通风盐水模型实验装置，其特征是：在所述清水箱(3)箱底设置排污阀(24)。

5.根据权利要求1所述的自然通风盐水模型实验装置，其特征是：在所述模型建筑(4)的顶盖(13)上设有若干个导电率测孔(26)。

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