CN102706530A

CN102706530A - 一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法

Info

Publication number: CN102706530A
Application number: CN2012102207727A
Authority: CN
Inventors: 王丽慧
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2012-10-03

Abstract

一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，液体缩尺模型与原型几何相似、运动相似的前提下，根据对流动起主要作用的力确定动力相似需满足的主要相似准则来确定水流速度，以模拟空气流动的速度变化特性；对于非等温射流，主要表现在重力和浮力的不平衡，在满足阿基米德准则相似的前提下，通过改变盐水浓度，用盐水与清水的密度差模拟不同温度空气的密度差；通过在水中加入染色剂获得流动流线分布规律；液体缩尺模型基于具体确定的速度场和温度场的相似准则及相应比例尺，通过液体流速得到原型气体速度数值和方向的变化规律；通过测得盐水密度，获得气流温度场数值的变化规律。本发明能较好显现实际速度温度场变化规律，直观准确，适用于多种工况。

Description

一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法

技术领域

本发明涉及一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，属于空气热环境研究技术领域。

背景技术

在科学研究和工程实践中，某空间内气流组织的速度和温度分布和变化规律多为关注和研究的对象。由于气流运动具有复杂性，受现场影响因素较多且测量仪器布点与精度的限制，现场实测的研究方法往往很难全面反映气流本质特征，且不方便变工况变化规律的探讨。理论建模和数值模拟等研究手段多倚赖于其他研究方法的验证，且数值模拟研究方法受限于边界条件的输入。因此，搭建缩尺模型试验来再现复杂物理现象被认为是一种科学并方便工况调节的研究方法。常规的气体缩尺模型试验，由于空气比水的粘滞系数高出一个数量级，因此为满足模型与原型的相似性和获得相近的实验结论，空气的实验装置与液体实验装置相比，需占用较大空间；同时由于过小尺寸气流与原尺寸射流之间的规律往往存在一定差距，为了保证原型气流的规律在模型试验中成立，气体模型试验的比例尺不能过小。这就导致气体模型实验装置尺寸较大、不方便测量，且其中设备性能要求较高。

研究表明：由于液体水和空气的变化规律均满足相同的运动控制方程，因此采用液体变化规律来反映原型空气速度和温度变化规律的研究方法具有可行性。由于水的粘滞系数高，用液体来模拟气体变化的研究方法，将节省试验台空间尺寸，且方便测量、便于显示流体运动变化规律，是一项紧迫而有价值的工作。

发明内容

本发明涉及用液体模拟气体速度和温度变化的方法，它克服了采用现场实测方法研究气体热环境过程中不可控的影响因素较多、变工况较难实现的不足，也避免了气体缩尺模型试验占用空间过大、初投资较高和测试困难的缺点。本发明运用科学合理的液体缩尺模型实验研究方法，可以较好的再现原气体模型空气复杂运动及相互作用的规律，同时占地省、实验系统初投资低，可通过改变相应参数调节不同工况，数据采集方便，且可通过染色剂显示流线流态特征。

本发明技术方案是这样实现的：

1、一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，建立液体缩尺模型，模拟空气的气体速度和温度变化，其特征在于包括下述三方面：

①建立液体缩尺模型：在满足液体缩尺模型与原型几何相似、运动相似的前提下，根据对流动起主要作用的力确定液体缩尺模型与原型动力相似需满足的主要相似准则，来确定水流速度，以反映空气流动的速度变化特性（A）；

②对于非等温射流，主要表现在重力和浮力的不平衡，在满足阿基米德准则相似的前提下，通过改变盐水浓度模拟非等温空气送风的不同温度，即用盐水与清水的密度差模拟不同温度空气的密度差（B）；

③通过在水中加入染色剂获得流动流线分布规律（C）；

液体模型试验基于具体确定的速度场和温度场的相似准则及相应比例尺，通过液体流速测试仪获得液体流速后，得到原型气体速度数值和方向的变化规律；通过电导率仪测得盐水密度后，获得气流温度场数值的变化规律。

a、所述的几何相似：所设计的液体缩尺模型与原型相应部件的长、宽、高或直径满足相同的几何比例尺，从而确定液体缩尺模型的试验台各个部件的定型和定位尺寸；

b、所述的运动相似：冷空气在室内运动的控制方程组与冷水在清水中运动的控制方程组相同，保证空气和水两种介质的运动相似；

c、所述动力相似：对流动起决定作用的力保持液体缩尺模型与原型动力相似准则数相等，从而确定液体缩尺模型的试验台中液体的流速、流量反映真实气体的流速、流量；确定液体缩尺模型试验台中盐水的浓度来反映气体的温度。

动力相似准则数的确定分如下几种情况实现：

d、当对流动起决定作用的力为重力时，主要考虑原型与液体缩尺模型的弗诺得数相等，

即Fr_n=Fr_m

其中字符n代表原型，字符m代表液体缩尺模型；

e、当粘滞力对流动起主要作用时，重点考虑原型与模型的雷诺数相等，即

Re_n=Re_m

当考虑粘滞力占主要影响因素的雷诺准则形似时，速度场需保证雷诺数相等或流动处于自模区即可；

f、当压力或弹性力为对流动产生决定作用的力时，重点考虑欧拉数，即

Eu_n=Eu_m 和马赫数即 M_n=M_m

上述等式中各个参数的定义及含义如下：

弗诺得数Fr=v²/gl；

雷诺数Re=vl/γ；

欧拉数Eu=Δp/ρv²；

马赫数M=v/a

上述各式中，v－速度，m/s；g－重力加速度，m/s²；l－定型尺寸，m；γ-动力粘滞系数，m²/s；Δp-压差，Pa；a-声速，m/s。

所述动力相似准则数的确定主要体现在阿基米德准则数相等，Ar_n=Ar_m，

即[(gd₀/v₀ ²)(ΔT₀/T_u)]_n=[(gd₀/v₀ ²)(Δρ/ρ)]_m；

上式中，g-重力加速度，m/s²；d₀-喷口直径，m；v₀-射流速度，m/s；

ΔT₀-流体温度与外界温度之差，K；T_u-环境的绝对温度，K；

Δρ-流体密度与环境密度差，kg/m³；ρ-流体密度，kg/m³。

通过调节模型试验中盐水的不同密度ρ来反映空调送风非等温射流的不同温度。

所述染色剂为胭脂色食品添加剂或着色剂，染色深度以清晰观察液体的运动状况为准。

本发明通过液体缩尺模型中水流速度和盐水浓度的变化来反映气体原型速度场和温度场的变化特性，具有应有的广泛性，适用于多种工况下空间内空气速度场和温度场等热环境规律的实验研究，通过染色剂显示流动流线与流态，能较好显现研究对象速度场变化规律，直观准确。相比于气体模型试验台，以此研究方法为基础的液体模型实验装置尺寸节省，系统初投资较低，方便数据采集和工况调整。本发明方法在室内热环境研究领域是一种具有优越性的有潜力的方法。

附图说明

图1为采用液体模拟地铁活塞风与站台喷口送风两股等温射流耦合速度变化的模型实验装置示意图；

图2为采用液体模拟地铁活塞风与站台空调送风两股非等温射流耦合温度速度变化的模型实验装置示意图。

A：模型活塞风部分 B：模型送风射流部分 C：模型站台部分

1.阀门一，2.转子流量计，3.电动调节阀，4.阀门二，5.水泵，6.储水箱一，7.水泵，8.阀门三，9.转子流量计，10.模型活塞风送风口一，11、模型活塞风送风口二，12、模型活塞风送风口三，13、模型活塞风送风口四，14.溢水口，15.回水口，16.储水箱二。

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。

实施例1：用液体模拟气体速度变化的方法－地铁车站活塞风与站台喷口送风的等温耦合

以上海南京西路地铁车站站台层为原型，原型与液体缩尺模型几何尺寸对应见表1。经分析计算，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，为方便实验进行，隧道和空调送风口用圆形管子近似代替矩形尺寸。

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1所示的实验装置各部分如下调整：

模型活塞风部分（A）首先调节电动调节阀3至全开状态，通过调节阀门二4，由转子流量计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的运行方案来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。

模型喷口送风射流部分（B）系统中送水从储水箱一6流出，经水泵7、阀门三8和转子流量计9，由模型站台上送风口三12进入站台（C）。通过调节阀门三8，从转子流量计9可读得不同工况下管路中的水流速。

模型站台耦合部分由模型送风射流部分（B）中进入模型站台（C）的喷口送风射流受到模型活塞风部分（A）中进入模型站台（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排出模型试验台，采用多点液体测速仪采集所需位置测试数据。从而完成了用液体水来再现活塞风和站台喷口送风两股气流耦合的速度场变化规律。

实施例2：用液体模拟气体温度和速度变化的方法－地铁车站活塞风与站台空调送风的非等温耦合

此实施例中用液体水模拟气流速度场的方法与实施例1相同。不同之处在于用液体模拟气体温度场的变化，由于存在盐水浓度的变化，实验装置的回水设计与实施例1不同。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。通过建立液体缩尺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液体缩尺模型中盐水的不同密度，具体详见表4。

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	3.287	2.738	2.189	1.641	1.093
盐水密度（kg/m³）	1003.287	1002.738	1002.189	1001.641	1001.093

针对上述表中对应参数，如图2所示的实验装置各部分工作如下：

模型喷口空调送风射流部分（B）系统中送水从储水箱一6流出，经水泵7、阀门三8和转子流量计9，由模型站台上送风口三12进入站台（C）。通过调节阀门三8，从转子流量计9可读得不同工况下管路中的水流速。依据表9调整储水箱一6内的盐水浓度来实现不同送风温度的工况调节。

模型活塞风部分（A）首先调节电动调节阀3至全开状态，通过调节阀门二4，由转子流量计2读数，获得循环中表8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的运行方案来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。

模型站台部分由模型空调送风射流部分（B）中进入模型站台（C）的喷口空调送风射流受到模型活塞风部分（A）中进入模型站台（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模型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14排出模型试验台。从而实现了用液体同时模拟气体速度场温度场的变化。

从上述2个实施例可见，本发明方法适用于多种工况下空间内的气流速度场和温度场研究，并方便进行速度场和温度场变化的数据采集，具有较好的科研和应用价值。

Claims

1.一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，建立液体缩尺模型，模拟空气的气体速度和温度变化，其特征在于包括下述三方面：