CN102359858A

CN102359858A - 用液体模拟地铁环境两股气流非等温耦合过程的实验装置

Info

Publication number: CN102359858A
Application number: CN2011103325317A
Authority: CN
Inventors: 王丽慧; 孙云雷; 郑懿
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: CN102359858B

Abstract

用液体模拟地铁环境两股气流非等温耦合过程的实验装置，模型站台部分C的封闭水箱上方等距离开有三个水管口，封闭水箱右侧壁开有四个溢水口，封闭水箱左侧壁开有进水口；储水箱一上的出水口通过管路依次与水泵一、阀门一、电动调节阀、转子流量计一、阀门二、封闭水箱左侧壁的进水口连通，构成站台活塞风送风部分。储水箱二开有三个出水口，每个出水口通过管道依次与水泵、阀门、转子流量计连接，形成三条管路，三条管路末端分别与封闭水箱的水管口一、水管口二、水管口三连通，构成站台空调送风射流部分。本发明再现了地铁复杂气流组织的变化特性，试验台尺寸适中，结果可靠，为地铁设计运营过程中站台气流组织研究提供了有效手段。

Description

用液体模拟地铁环境两股气流非等温耦合过程的实验装置

技术领域

本发明涉及室内气流组织热环境研究领域，具体涉及到用液体模拟地铁热环境中两股典型气流在站台非等温耦合的实验装置。

背景技术

地铁作为一种重要的交通工具，以其快速、安全、便利和无污染等优点在国内外大中城市广泛应用。而因区间内运行列车前后压差而导致的活塞风与车站通风系统送风气流在车站相耦合是地铁热环境气流组织的典型特征，其广泛存在于站台层、站厅层和中转区域等。这两股气流耦合的基本规律及其优化与地铁热环境的舒适性和系统能耗紧密相关，而在现有相关研究中未见报道，因此站台活塞风与送风射流耦合作用规律的研究具有重要意义且亟待解决。

目前地铁热环境研究方法主要有现场实测，数值模拟和少量气体缩尺模型实验。现场实测受到测试时段车况、车站乘客等现场因素制约，较难分析物理现象的变化规律；数值模拟受限于物理模型的建立和边界条件的设定，其研究结果的可信性需经其他研究手段的验证；搭建包括区间隧道、站台和站厅在内的地铁气体缩尺模型试验台较为复杂，且气流在小尺寸下的变化规律与原型尺寸的差异较大。此外由于空气粘滞系数比水小一个数量级，因此气体缩尺实验装置的几何尺寸较大，占用较多空间。因此研究出一种能以液体代替气体获得活塞风与站台送风射流耦合规律的系统装置，是解决当前地铁热环境基础问题十分紧迫而有意义的工作。

发明内容

本发明公开了一种用液体模拟地铁环境两股气流非等温耦合过程的实验装置，该实验装置在满足水和气体相关相似准则前提下，能较好再现稳态射流与间歇性受迫气流耦合前后的物理现象及其温度场和速度场变化特性，可以克服现场实测中现场诸因素的干扰，弥补了数值模拟受限于物理建模和边界条件设定的制约，本发明实验装置不仅方便调节工况，而且液体缩尺模型试验台尺寸大小适中，方便测量，在满足相似准则前提下，能较好再现地铁复杂气流组织变化特性，为地铁设计运营过程中实现站台气流组织的舒适性和节能性服务。

本发明技术方案如下：

一种用液体模拟地铁环境两股气流非等温耦合过程的实验装置，包括三部分：站台空调送风射流部分A、站台活塞风部分B、站台模型部分C，其特点是：

站台模型部分C包括一个封闭水箱，封闭水箱上方等距离开有三个水管口，分别为水管口一，水管口二，水管口三，封闭水箱右侧壁开有四个溢水口，封闭水箱左侧壁开有进水口；

站台活塞风部分B包括储水箱一、水泵一、阀门一、电动调节阀、转子流量计一、阀门二和管路构成；储水箱一上开有出水口，出水口通过管路依次与水泵一、阀门一、电动调节阀、转子流量计一、阀门二、封闭水箱左侧壁的进水口连通；构成站台活塞风送风部分。

站台空调送风射流部分A包括储水箱二、三个水泵、三个阀门、三个转子流量计和三条管路构成；所述的储水箱二开有三个出水口，每个出水口通过管道依次与水泵、阀门、转子流量计连接，形成三条管路，三条管路末端分别与封闭水箱的水管口一、水管口二、水管口三连通，构成站台空调送风射流部分。其中，根据模型试验的相似性原理，在储水箱二内调节盐水的不同浓度，来反映不同的空调送风温度。

所述封闭水箱的进水口设置在封闭水箱侧壁后下方，其中一个溢水口在封闭水箱对应侧与进水口对应于同一中心线位置，其它三个溢水口等距离排列在封闭水箱同侧壁上部。

本发明的有益效果是：

本实验装置能对空调季节地铁典型气流组织速度场和温度场的耦合规律进行研究，填补了地铁热环境现有研究的不足；液体模型实验台弥补了现场实测工况不方便调节和数值模拟受边界条件等输入参数制约的不足，在满足相似准则前提下，能较好再现地铁复杂气流组织温度场和速度场的变化特性，试验台尺寸大小适中，试验结果数据可靠，为地铁设计运营过程中实现站台气流组织的舒适性和节能性服务。

附图说明

图1为本发明实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明实验装置站台模型部分C的俯视图；

图3为本发明实验装置站台空调送风射流储水箱二的轴测图。

A、站台空调送风射流部分 B、站台活塞风部分 C、站台模型部分

1、储水箱二，2、水泵，3、阀门，4、转子流量计，5、储水箱一，6、水泵一，7、阀门一，8、电动调节阀，9、转子流量计一，10、阀门二，11、进水口，12、水管口一，13、水管口二，14、水管口三，15、溢水口，16、封闭水箱。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

一种用液体模拟地铁环境两股气流非等温耦合过程的实验装置，如图1所示包括三部分：站台空调送风射流部分A、站台活塞风部分B、站台模型部分C。

站台模型部分C如图2所示，包括一个封闭水箱16，封闭水箱上方等距离开有三个水管口，分别为水管口一12，水管口二13，水管口三14，封闭水箱右侧壁开有四个溢水口15，封闭水箱左侧壁开有进水口11；

站台活塞风部分B，包括储水箱一5、水泵一6、阀门一7、电动调节阀8、转子流量计一9、阀门二10和管路构成；储水箱一上开有出水口，出水口通过管路依次与水泵一6、阀门一7、电动调节阀8、转子流量计一9、阀门二10、封闭水箱左侧壁的进水口11连通；构成站台活塞风送风部分。

站台空调送风射流部分A包括储水箱二1、三个水泵2、三个阀门3、三个转子流量计4和三条管路构成；所述的储水箱二1开有三个出水口，每个出水口通过管道依次与水泵、阀门、转子流量计连接，形成三条管路，三条管路末端分别与封闭水箱的水管口一12、水管口二13、水管口三14连通，构成站台空调送风射流部分。其中，根据模型试验的相似性原理，在储水箱二内调节盐水的不同浓度，来反映不同的空调送风温度。

所述封闭水箱16的进水口11设置在封闭水箱侧壁后下方，其中一个溢水口15在封闭水箱对应侧与进水口对应于同一中心线位置，其它三个溢水口15等距离排列在封闭水箱同侧壁上部。

本发明采用胭脂红色食品添加剂(如：产品标准为Q/GHAK 5)作为染色剂添加到模型站台系统C中的封闭水箱中，来显示模型站台(C)中耦合气流的流线，从而方便对流线变化特性的跟踪研究。

本发明采用液体流速测试仪(如LGY-III型多功能智能流速仪)测试模型试验台(C)内耦合前后流速场。可采用电导率仪(如DDSJ-308A)测量和地铁车站模型空调送风射流部分A储水箱二内和模型试验台(C)内的盐水密度，从而获得耦合前后气流温度场变化规律。

封闭水箱16表示模型站台部分C。其中封闭水箱上的水管口一12、水管口二13、水管口三14表示站台空调送风射流喷口；封闭水箱上的进水口11表示站台活塞风进风口。

实施例1：模拟单个送风喷口与活塞风非等温耦合工况

如图1中将水管口一12和水管口三14关闭，水管口二13开启，以上海南京西路地铁车站站台层为原型，原型与模型几何尺寸对应见表1。经分析计算，对于速度场，为满足原型与此液体缩尺模型试验台运动相似，只需在动力相似中满足雷诺数相等或模型中流动处于自模区。表2为保持活塞风风速不变，调整空调送风速度对应的模型水流速与流量值；表3为保持空调送风速度不变，调整活塞风风速对应的模型水流速与流量值。对于温度场，夏季为消除站台冷负荷，空调系统送入气流温度较低，站台活塞风与空调射流为非等温耦合，即模型中为非等密度耦合，为保证原型与模型的动力相似，必须同时满足阿基米德数相等。通过建立模型与原型阿基米德准则数相等关系式，并依据密度差与温度差之间的数学关系，求得对应于原型中不同温度空气时模型中盐水的不同密度，具体详见表4。

表1站台原型与模型装置几何尺寸对应表

注：隧道高度以南京西路地铁站站台与隧道实际相通高度为准；模型站台长度依实验研究所需长度确定。

表2空调射流不同送风速度下原形与模型各参数对照表

空调送风速度(m/s)	2	4	6	8
					实际雷诺数	76433	152866	229299	305733
模型水速(m/s)	0.14	0.36	0.43	0.57
					模型雷诺数	5675	11349	17024	22698
模型水流量(l/min)	10.8	21.5	32.3	43.1

表3活塞风不同送风速度下原形与模型各参数对照表

隧道最大送风速度(m/s)	2	4	6	7
					实际雷诺数	367834	735669	1103503	1287420
最大模型水速(m/s)	0.14	0.28	0.43	0.5
					模型雷诺数	28373	56746	85119	99305
最大水流量(l/min)	269.1	538.3	807.4	942.0

表4站台不同空调送风温度对应的模型盐水密度

原型空调送风温度(℃)	14	16	18	20	22
						原型站台温度T(℃)	26	26	26	26	26
Δt₀	12	10	8	6	4
						Δρ	1.6100	1.3417	1.0734	0.8050	0.5367
盐水密度(kg/m³)	1001.610	1001.341	1001.073	1000.805	1000.536

针对上述表中对应参数，如图所示的实验装置各部分如下调整：

站台空调送风射流部分A由储水箱二1、水泵2、转子流量计4、阀门3和管路构成。系统中送水从储水箱二1流出，经水泵2、阀门3和转子流量计4，由模型站台部分C上的水管口二13进入封闭水箱16。通过阀门3，从转子流量计4可读得不同工况下管路中的水流速。依据表4调整储水箱二1内的盐水浓度来实现不同送风温度的工况调节。

站台活塞风部分B由储水箱一5、水泵一6、电动调节阀8、转子流量计一9、阀门一7、阀门二10和管路构成。系统中水由储水箱一5，依次经水泵一6、阀门一7、电动调节阀8、转子流量计一9和阀门二10，最后通过进水口11进入模型站台部分C，构成站台活塞风部分送水循环过程。首先调节电动调节阀8至全开状态，通过调节阀门一7，由转子流量计一9读数，获得循环中表3各工况最大水流量作为模型中活塞风的最大值；然后通过设定电动调节阀8的运行时间(即阀门从关闭到全开的时间，保持全开的时间，阀门从全开到关闭的时间)，可模拟实际中进入站台的活塞风风速随时间连续变化的所需工况。

由站台空调送风射流部分A中进入站台模型部分C的空调送风射流受到站台活塞风部分B进入站台模型C的活塞风作用，两者相耦合，流场发生变化，通过染色剂捕捉两股射流耦合流线，由流速仪测量得到不同工况下模型空调送风射流在活塞风作用下轴心轨迹变化及速度值，由密度计测得不同工况下站台空调送风射流与活塞风耦合作用后温度场的变化规律，最后由溢水口15排出模型试验台。

实施例2：模拟多个送风喷口与活塞风非等温耦合工况

此实施例是将图1中水管口一12、水管口二13、水管口三14均开启，其与实施例1的主要不同在于其可模拟站台不同位置处多个喷口与活塞风非等温耦合的速度场和温度场，其他原理及实施过程与实施例1相同。

Claims

1.一种用液体模拟地铁环境两股气流非等温耦合过程的实验装置，包括三部分：站台空调送风射流部分A、站台活塞风部分B、站台模型部分C，其特征在于：

站台模型部分C包括一个封闭水箱(16，封闭水箱上方等距离开有三个水管口，分别为水管口一(12)，水管口二(13)，水管口三(14)，封闭水箱右侧壁开有四个溢水口(15)，封闭水箱左侧壁开有进水口(11)；

站台活塞风部分B包括储水箱一(5)、水泵一(6)、阀门一(7)、电动调节阀(8)、转子流量计一(9)、阀门二(10)和管路构成；储水箱一上开有出水口，出水口通过管路依次与水泵一(6)、阀门一(7)、电动调节阀(8)、转子流量计一(9)、阀门二(10)、封闭水箱左侧壁的进水口(11)连通；构成站台活塞风送风部分；

站台空调送风射流部分A包括储水箱二(1)、三个水泵(2)、三个阀门(3)、三个转子流量计(4)和三条管路构成；所述的储水箱二(1)开有三个出水口，每个出水口通过管道依次与水泵、阀门、转子流量计连接，形成三条管路，三条管路末端分别与封闭水箱的水管口一(12)、水管口二(13)、水管口三(14)连通，构成站台空调送风射流部分。

2.根据权利要求1所述的用液体模拟地铁环境两股气流非等温耦合过程的实验装置，其特征在于：所述封闭水箱(16)的进水口(11)设置在封闭水箱一侧壁后下方，其中一个溢水口(15)在封闭水箱对应侧与进水口对应于同一中心线位置，其它三个溢水口(15)等距离排列在封闭水箱同侧壁上部。