CN102749279B - 大型水工极端气候模拟器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大型水工极端气候模拟器，由高低温湿热交变、日照、风速模拟区，盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区，以及温度冲击模拟区等三大功能区组成，其特征在于：所述的试验模拟器能模拟极端高低温、湿度、暴雨、日照、风速等气候参数，以及老化、腐蚀、压力水等环境条件及其耦合作用。本发明通过三大功能区实现了高温、低温、湿度循环、寒潮袭击、长历时高温干旱、温度冲击、盐雾、酸性气体腐蚀、压力水环境等单一模式的参数模拟，以及上述单一模式与荷载以及压力水环境的耦合，为水工建筑物基本材料与构件安全应对极端气候的研究提供了关键试验参数，具有模拟实际服役环境、适用性广、操作性强等特点。
Description
技术领域
本发明涉及水工建筑物基本材料或构件应对极端气候的科学研究领域，尤其是一种大型水工极端气候模拟器。
背景技术
气候参数模拟可为人们提供一种摆脱自然条件的限制、从时间到空间按主观意愿去模拟的各种理想环境，并服务于科学实验。在试验室内模拟各种实际环境作用，研究材料、结构等实验对象对所处的环境产生的环境效应，可获得实验对象在各种环境条件下的特性和环境适应性。气候变化使水工混凝土服役的环境越来越复杂，对水工混凝土的耐久性势将产生影响，材料的耐久性又直接影响水利工程的运行安全与运行年限，而水工混凝土耐久性现场试验，如暴露试验等一般试验周期长、费用也较高。目前，现有气候环境模拟设备主要以单一气候参数模拟为主，净空间较小，适用于电子元器件、农作物等小型试验，在开展水工建筑物基本材料与构件的气候试验时存在适用性问题。亟需结合水利行业特点，对水工建筑物基本材料或结构的实际服役环境进行综合模拟，开展其热学、力学、收缩、徐变、保温效果、损伤特性及其与干燥、潮湿、腐蚀、极端低温、寒潮等环境关系的系统研究工作，以提高水利工程在极端气候环境下的安全与耐久性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种可模拟极端高低温、湿度、暴雨、日照、风速等气候参数，以及老化、腐蚀、压力水等环境条件及其耦合作用的大型水工极端气候模拟器。
为实现上述目的，本发明大型水工极端气候模拟器，包括高低温湿热交变、日照、风速模拟区，盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区以及温度冲击模拟区，
其中，高低温湿热交变、日照、风速模拟区包括提供连续可调风速的送风循环单元、提供全太阳光谱的日照单元、提供极端低温的第一制冷控制单元、提供极端高温的第一加热控制单元；
盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区包括盐雾生成单元、降雨控制单元、CO2气体生成单元；
温度冲击模拟区包括高速送风单元、提供极端低温瞬时冲击的第二制冷控制单元、提供极端高温瞬时冲击的第二加热控制单元；
待测样品依次在各个模拟区内经过极端高低温、湿度、暴雨、日照、风速的气候参数，以及老化、腐蚀、压力水的环境条件及其耦合作用。
进一步，所述高低温湿热交变、日照、风速模拟区还包括第一工作室，所述送风循环单元、日照单元均设置在第一工作室内，所述送风循环单元设置在第一工作室的内壁，日照单元设置在第一工作室的顶部，第一工作室的底板上设有排水沟。
进一步，所述第一工作室为拼装式箱体结构，内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料。
进一步，所述第一工作室设置在所述高低温湿热交变、日照、风速模拟区的前部，所述高低温湿热交变、日照、风速模拟区的后部设置所述第一制冷控制单元和第一加热控制单元，所述第一制冷控制单元由制冷压缩机组和冷凝器组成，其操作面板安装在所述第一工作室正面的电控柜上。
进一步，所述第一制冷控制单元提供的最低温度为-70℃，所述第一加热控制单元提供的最高温度为150℃，并控制相对湿度10%～98%，所述送风循环单元提供5m/s～20m/s连续可调的风速。
进一步，所述盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区还包括第二工作室，该第二工作室为拼装式箱体结构，内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与外壳彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料，第二工作室的底板上设有排水沟。
进一步，所述盐雾生成单元设置在所述第二工作室的内壁，所述降雨控制单元及CO2气体生成单元设置在所述第二工作室的顶部，其操作面板安装在所述第二工作室正面的电控柜上；所述盐雾生成单元提供沉降量0.0125 ml·cm-2·h-1～0.025 ml·cm-2·h-1范围的盐雾。
进一步，所述温度冲击模拟区还包括第三工作室和蓄热铝板，该第三工作室为整体式箱体结构，内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与外壳彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料。
进一步，所述第三工作室设置在所述温度冲击模拟区的前部，所述高速送风单元设置在所述第三工作室的内壁，所述第二制冷控制单元和第二加热控制单元设置在所述温度冲击模拟区的后部，所述第二制冷控制单元由制冷压缩机组和冷凝器组成，蓄热铝板安装在加热控制单元的左侧，其操作面板安装在所述第三工作室正面的电控柜上。
进一步，所述第二制冷控制单元提供最低－40℃的瞬时低温冲击，所述二加热控制单元提供最高200℃瞬时高温冲击，并且瞬时低温冲击和瞬时高温冲击能够循环进行。
本发明通过三大功能区实现了高温、低温、湿度循环、寒潮袭击、长历时高温干旱、温度冲击、盐雾、酸性气体腐蚀、压力水环境等单一模式的参数模拟，以及上述单一模式与荷载以及压力水环境的耦合，为水工建筑物基本材料与构件安全应对极端气候的研究提供了关键试验参数，具有模拟实际服役环境、适用性广、操作性强等特点。
附图说明
图1为大型水工极端气候模拟器总体布置示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。
本发明以水工混凝土极端低温冻融试验、CO2碳化试验以及温度冲击试验为例，对该大型水工极端气候模拟器的具体实施方式进行阐述。
水工混凝土极端低温冻融试验：参照《水工混凝土试验规程》（SL 352-2006）中抗冻性试验对试件尺寸的要求成型100mm×100mm×400mm的混凝土试件，标准养护至28d后，再按上述技术标准中对混凝土抗冻试验前的预处理要求进行试件泡水，完成浸泡后，放入大型水工极端气候模拟器高低温湿热交变、日照、风速模拟区中的试验工作室内，通过操作面板设定冻融试验试件中心的极端低温温度与高温温度以及相应的保温时间，设定完成后可开机进行极端低温冻融试验，并按上述技术标准要求在若干个冻融循环后测定水工混凝土的质量损失与动弹性模量。
CO2碳化试验：参照《水工混凝土试验规程》（SL 352-2006）中碳化试验相关要求成型、养护混凝土试件，开始碳化试验前，将混凝土试件在60℃环境下烘48h，然后将试件放入大型水工极端气候模拟器盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区中的试验工作室内，通过操作面板设定工作室内需要的CO2气体浓度，设定完成后可开机进行碳化试验，并按上述技术标准要求测量混凝土的碳化深度。
温度冲击试验：参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES 01-2004）中的混凝土抗裂性试验成型600mm×600mm×100mm的混凝土平板试件，标准养护至28d后将平板试件放入大型水工极端气候模拟器温度冲击模拟区中的试验工作室内，通过操作面板设定温度冲击的高温条件以及低温条件，冲击的循环次数等，然后再开机运行，按设定程式在工作室内完成混凝土试件的温度冲击模拟，完成温度冲击试验后，参照《混凝土结构耐久性设计与施工指南》（CCES 01-2004）中的抗裂性评价方法，对试件的平均裂开面积、单位面积的开裂裂缝数量、单位面积上的总裂开面积等参数进行统计。
如图1所示，本发明大型水工极端气候模拟器，包括高低温湿热交变、日照、风速模拟区，盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区以及温度冲击模拟区，待测样品依次在各个模拟区内经过极端高低温、湿度、暴雨、日照、风速等气候参数，以及老化、腐蚀、压力水的环境条件及其耦合作用。
其中，高低温湿热交变、日照、风速模拟区包括第一工作室，提供连续可调风速的送风循环单元、提供全太阳光谱的日照单元、提供极端低温的第一制冷控制单元、提供极端高温的第一加热控制单元、以及操作面板等，压力水由压力水控制系统提供。
第一工作室为拼装式箱体结构，内净尺寸3000mm*2500mm*2000mm（深*宽*高），内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料，其厚度为100mm。
送风循环单元、日照单元均设置在第一工作室内，送风循环单元设置在第一工作室的内壁，日照单元设置在第一工作室的顶部，第一工作室的底板上设有排水沟，能将箱内冷凝水排出箱外。第一工作室设置在所述高低温湿热交变、日照、风速模拟区的前部，第一制冷控制单元和第一加热控制单元设置在高低温湿热交变、日照、风速模拟区的后部，第一制冷控制单元由制冷压缩机组和冷凝器组成，操作面板安装在第一工作室正面的电控柜上。
盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区包括第二工作室、盐雾生成单元、降雨控制单元、CO2气体生成单元、操作面板等。
第二工作室为拼装式箱体结构，内净尺寸2000mm*2000 mm*2000mm（深*宽*高），内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与外壳彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料，其厚度为100mm。盐雾生成单元设置在第二工作室的内壁，降雨控制单元及CO2气体生成单元设置在第二工作室的顶部，操作面板安装在所述第二工作室正面的电控柜上；第二工作室的底板上设有排水沟。
温度冲击模拟区包括第三工作室、高速送风单元、提供极端低温瞬时冲击的第二制冷控制单元、提供极端高温瞬时冲击的第二加热控制单元、蓄热铝板、操作面板等。
第三工作室为整体式箱体结构，内净尺寸1000mm*1200mm*1750mm（深*宽*高），内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与外壳彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料，其厚度为100mm。
第三工作室设置在温度冲击模拟区的前部，高速送风单元设置在所述第三工作室的内壁，第二制冷控制单元和第二加热控制单元设置在温度冲击模拟区的后部，第二制冷控制单元由制冷压缩机组和冷凝器组成，蓄热铝板安装在加热控制单元的左侧，操作面板安装在第三工作室正面的电控柜上。
本发明中，在高低温湿热交变、日照、风速模拟区内可实现最低温度-70℃、最高温度150℃、相对湿度10%～98%、以及温湿度交互的模拟，为水工混凝土或构件提供极端低温、高温、长历时高温干旱等试验环境条件；可实现全太阳光谱模拟，辐射强度满足国际照明委员会（C.I.E）的要求，为水工混凝土或构件提供日照老化模拟参数；可实现5m/s～20m/s连续可调的风速模拟。
在盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区内可实现沉降量0.0125 ml·cm-2·h-1～0.025 ml·cm-2·h-1范围的盐雾模拟，符合GB 2423.38规定雨量等级的模拟，以及与空气混合后的不同浓度CO2气体模拟，为水工混凝土或构件应对盐雾腐蚀、酸雨侵害提供模拟参数。
在温度冲击模拟区可实现高温最高200℃、低温最低－40℃的瞬时冲击，并且瞬时低温冲击和瞬时高温冲击能够循环进行，冲击循环次数可根据试验需要设定。为研究大型输水渡槽等水工混凝土薄壁结构由于内外温差导致的开裂等工程问题提供模拟参数。
Claims (1)
1. 大型水工极端气候模拟器，其特征在于，该模拟器包括高低温湿热交变、日照、风速模拟区，盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区以及温度冲击模拟区，
其中，高低温湿热交变、日照、风速模拟区包括第一工作室、提供连续可调风速的送风循环单元、提供全太阳光谱的日照单元、提供极端低温的第一制冷控制单元、提供极端高温的第一加热控制单元；
盐雾、暴雨、腐蚀气体模拟区包括第二工作室、盐雾生成单元、降雨控制单元、CO2气体生成单元；
温度冲击模拟区包括第三工作室、高速送风单元、提供极端低温瞬时冲击的第二制冷控制单元、提供极端高温瞬时冲击的第二加热控制单元；
待测样品依次在各个模拟区内经过极端高低温、湿度、暴雨、日照、风速的气候参数，以及老化、腐蚀、压力水的环境条件及其耦合作用。
2、 如权利要求1所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述送风循环单元、日照单元均设置在第一工作室内，所述送风循环单元设置在第一工作室的内壁，日照单元设置在第一工作室的顶部，第一工作室的底板上设有排水沟。
3、 如权利要求2所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述第一工作室为拼装式箱体结构，内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料。
4、 如权利要求2所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述第一工作室设置在所述高低温湿热交变、日照、风速模拟区的前部，所述高低温湿热交变、日照、风速模拟区的后部设置所述第一制冷控制单元和第一加热控制单元，所述第一制冷控制单元由制冷压缩机组和冷凝器组成，其操作面板安装在所述第一工作室正面的电控柜上。
5、 如权利要求2所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述第一制冷控制单元提供的最低温度为-70℃，所述第一加热控制单元提供的最高温度为150℃，并控制相对湿度10%～98%，所述送风循环单元提供5m/s～20m/s连续可调的风速。
6、 如权利要求1所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述第二工作室为拼装式箱体结构，内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与外壳彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料，第二工作室的底板上设有排水沟。
7、 如权利要求6所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述盐雾生成单元设置在所述第二工作室的内壁，所述降雨控制单元及CO2气体生成单元设置在所述第二工作室的顶部，其操作面板安装在所述第二工作室正面的电控柜上；所述盐雾生成单元提供沉降量0.0125 ml·cm-2·h-1～0.025 ml·cm-2·h-1范围的盐雾。
8、 如权利要求1所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述温度冲击模拟区还包括蓄热铝板，所述第三工作室为整体式箱体结构，内部采用SU304高级不锈钢板，外壳采用经表面酸洗、磷化、防静电喷塑处理的高级彩钢板，在SU304高级不锈钢板与外壳彩钢板中间填充有玻璃纤维及绝缘脂发泡材料。
9、 如权利要求8所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述第三工作室设置在所述温度冲击模拟区的前部，所述高速送风单元设置在所述第三工作室的内壁，所述第二制冷控制单元和第二加热控制单元设置在所述温度冲击模拟区的后部，所述第二制冷控制单元由制冷压缩机组和冷凝器组成，蓄热铝板安装在加热控制单元的左侧，其操作面板安装在所述第三工作室正面的电控柜上。
10、 如权利要求8所述的大型水工极端气候模拟器，其特征在于，所述第二制冷控制单元提供最低－40℃的瞬时低温冲击，所述第二加热控制单元提供最高200℃瞬时高温冲击，并且瞬时低温冲击和瞬时高温冲击能够循环进行。
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