CN102507129B

CN102507129B - 用液体模拟地铁环境中两股气流等温耦合过程的实验装置

Info

Publication number: CN102507129B
Application number: CN201110332568.XA
Authority: CN
Inventors: 王丽慧; 杜晓明; 沈丽; 宋洁
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: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2031-10-27
Also published as: CN102507129A

Abstract

一种用液体模拟地铁环境中两股气流等温耦合过程的实验装置，模型站台系统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回水口和四个溢水口，封闭水箱左侧壁开有进水口；地铁车站模型活塞风系统A是由封闭水箱右侧壁的回水口经管道依次与水泵、阀门一、电动调节阀、转子流量计一、阀门二连接，管道末端连接封闭水箱左侧壁的进水口；模型车站送风射流系统B包括一个储水箱、所述的储水箱开有三个出水口，分别通过管道依次与水泵、阀门、转子流量计连接，三个管道末端分别与封闭水箱的水管口一、水管口二、水管口三连通。本发明采用的液体模型实验台尺寸大小适中，结果可靠，为地铁设计运营过程中复杂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中两股气流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，具体涉及用液体模拟地铁热环境中两股气流，即站台送风射流（稳态气流）和由于列车在区间隧道内运行产生的活塞风（间歇性受迫非稳态气流），在站台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中两股气流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中两股气流等温耦合过程的实验装置，包括三部分：地铁车站模型活塞风系统A、模型车站送风射流系统B、模型站台系统C；其特征在于：

模型站台系统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回水口和四个溢水口，封闭水箱左侧壁开有进水口；

模型活塞风系统A包括：阀门二、转子流量计一、电动调节阀、阀门一、水泵二；封闭水箱右侧壁的回水口经管道依次与水泵、阀门一、电动调节阀、转子流量计一、阀门二连接，管道末端连接封闭水箱左侧壁的进水口；构成模型活塞风送风部分；

模型车站送风射流系统B包括：一个储水箱、三个水泵、三个转子流量计、三个阀门和管路构成；所述的储水箱开有三个出水口，分别通过管道依次与水泵、阀门、转子流量计连接，三个管道末端与封闭水箱的水管口一、水管口二、水管口三一对一连通，构成模型送风射流部分。

所述封闭水箱的回水口设置在封闭水箱右侧壁的中心，进水口设置在封闭水箱左侧壁后下方，其中一个溢水口在封闭水箱右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。

本发明实验装置能对非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手段的不足；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，较好再现了地铁复杂气流组织变化特性，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提供了有效研究手段。

附图说明

图1为本发明实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明实验装置模型站台系统C俯视图；

图3为本发明实验装置模型送风射流储水箱部分轴测图。

A：地铁车站模型活塞风系统 B：模型车站送风射流系统 C：模型站台系统

1、阀门二，2、转子流量计一，3、电动调节阀，4、阀门一，5、水泵二，6、储水箱，7、水泵，8、阀门，9、转子流量计，10、进水口，11、水管口一，12、水管口二，13、水管口三，14、溢水口，15、回水口，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中两股气流等温耦合过程的实验装置，如图1所示包括三部分：地铁车站模型活塞风系统A、模型车站送风射流系统B、模型站台系统C；三部分各用虚线框表示。

模型站台系统C如图1、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，水管口一11，水管口二12，水管口三13，封闭水箱右侧壁开有回水口15和四个溢水口14，封闭水箱左侧壁开有进水口10；

地铁车站模型活塞风系统A如图1所示，包括：阀门二1、转子流量计一2、电动调节阀3、阀门一4、水泵二5；封闭水箱右侧壁的回水口15经管道依次与水泵5、阀门一4、电动调节阀3、转子流量计一2、阀门二1连接，管道末端连接封闭水箱左侧壁的进水口10；构成地铁车站模型活塞风系统A。

模型车站送风射流系统B如图1、图3所示，包括：一个储水箱6、三个水泵7、三个转子流量计9、三个阀门8和管路构成；所述的储水箱6开有三个出水口，分别通过管道依次与水泵7、阀门8、转子流量计9连接，三个管道末端分别与封闭水箱的水管口一11、水管口二12、水管口三13连通，构成模型车站送风射流系统B。

如图2所示：所述封闭水箱16的回水口15设置在封闭水箱右侧壁的中心，进水口10设置在封闭水箱左侧壁后下方，其中一个溢水口14在水箱右侧与进水口对应于同一中心线位置，其它三个溢水口14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/GHAK5）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。

封闭水箱16表示模型站台系统C。其中封闭水箱上的水管口一11、水管口二12、水管口三13表示模型送风射流喷口；封闭水箱上的进水口10表示模型活塞风进风口。

实施例1：模拟单个送风喷口与活塞风等温耦合工况

如图1中将水管口11和水管口13上的水泵7、阀门8关闭，水管口12的水泵7、阀门8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，为满足原型与本发明液体模拟地铁环境中两股气流等温耦合过程的实验装置运动相似，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，调整送风射流风速对应的模型水流速与流量值；表3为保持送风射流速度不变，调整活塞风风速对应的模型水流速与流量值。

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选取。

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

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：

地铁车站模型活塞风系统A由水泵二5、电动调节阀3、转子流量计一2、阀门二1、阀门一4和管路构成。系统中水由回水口15，依次经水泵二5、阀门一4、电动调节阀3、转子流量计一2和阀门二1，最后通过进水口10进入模型站台C，构成系统活塞风部分送水循环过程。首先调节电动调节阀3至全开状态，通过调节阀门一4，由转子流量计一2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3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。

模型车站送风射流系统B由储水箱6、水泵7、转子流量计9、阀门8和管路构成。系统中送水从储水箱6流出，经水泵7、阀门8和转子流量计9，由封闭水箱上水管口12进入封闭水箱16，通过调节阀门8，从转子流量计9可读得不同工况下管路中的水流速。

由模型车站送风射流系统B进入模型站台系统C中封闭水箱的水管口，其送风射流受到地铁车站模型活塞风系统A中进入模型站台系统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的流线，由流速仪测量得到不同工况下模型送风射流在活塞风作用下轴心轨迹变化及速度值，最后由溢水口14和回水口15排出。

实施例2：模拟多个送风喷口与活塞风等温耦合工况

此实施例是将图1中封闭水箱的水管口11、水管口12、水管口13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等温耦合的速度场，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中两股气流等温耦合过程的实验装置，包括三部分：地铁车站模型活塞风系统（A）、模型车站送风射流系统（B）、模型站台系统（C）；其特征在于：

所述的模型站台系统（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（11），水管口二（12），水管口三（13），封闭水箱右侧壁开有回水口（15）和四个溢水口（14），封闭水箱左侧壁开有进水口（10）；

所述的模型活塞风系统（A）包括：阀门二（1）、转子流量计一（2）、电动调节阀（3）、阀门一（4）、水泵二（5）；封闭水箱右侧壁的回水口（15）经管道依次与水泵（5）、阀门一（4）、电动调节阀（3）、转子流量计一（2）、阀门二（1）连接，管道末端连接封闭水箱（16）左侧壁的进水口（10）；

所述的模型车站送风射流系统（B）由一个储水箱（6）、三个水泵（7）、三个转子流量计（9）、三个阀门（8）和管路构成；所述的储水箱（6）开有三个出水口，分别通过管道依次与水泵（7）、阀门（8）、转子流量计（9）连接，三个管道末端与封闭水箱的水管口一（11）、水管口二（12）、水管口三（13）一对一连通。

2.根据权利要求1所述的用液体模拟地铁环境中两股气流等温耦合过程的实验装置，其特征在于：所述封闭水箱的回水口（15）设置在封闭水箱（16）右侧壁的中心，进水口（10）设置在封闭水箱（16）左侧壁后下方，其中一个溢水口（14）设置在封闭水箱右侧与进水口对应于同一中心线位置，其它三个溢水口（14）等距离排列在封闭水箱（16）同侧壁上部。