CN103473980B - 一种水流模拟建筑风环境的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，包括风环境模拟系统和视觉体察系统，风环境模拟系统包括箱形结构的主箱体，主箱体中部由挡板分隔为一侧相通的内区和外区，内区进一步被活动挡板分隔为缓冲区和实验区，外区靠近缓冲区一侧设有潜水泵，缓冲区与实验区之间还设置有活动的格栅，建筑模型固定在实验区，视觉体察系统包括影像采集单元和支撑装置。使用时，主箱体充水后，潜水泵作用制造循环水流流过建筑模型，通过水流模拟建筑内外的风环境作用，影像采集单元采集记录水流运动轨迹的实验数据。本实验装置设计精巧、结构紧凑、操作方便，模拟相似度高，并且由于体积小巧、便于携带、成本低廉而特别适用于课堂教学、实验活动。

Description

一种水流模拟建筑风环境的实验装置

技术领域

本发明涉及一种建筑风环境试验测试装置，更具体地，涉及一种水流模拟建筑风环境的实验装置。

背景技术

随着现代生活水平的不断提高，人们对建筑的功能要求也日益提高，特别是要求保持建筑物室内外的良好通风同时避免废气回流，营造人体生理舒适度高的建筑室内环境，并通过良好的自然通风来减少使用空调，降低日益激增的建筑能耗。因此，建筑风环境研究已成为现代建筑设计研究的一项非常重要的课题，越来越受到行业内的密切关注和重视。同时，建筑风环境认知、研究也是建筑设计教学、实践的重要内容，并且由于其重要的研究价值和良好的发展前景而成为学生非常关注并感兴趣的方向之一。

目前用于建筑风环境研究的手段通常有风洞实验和计算机模拟预测两种。采用风洞（wind tunnel）模拟建筑风环境的方式，虽然能够比较准确地控制试验条件，但所需的实验环境规模较大，试验仪器昂贵、运转费用高，而且实验地点固定，不利于教学场合，因此不能满足不同类型建筑物的风环境模拟测试需要，并由于其成本高昂也难以适用教学活动需要。计算机模拟预测风环境的优点在于灵活性和反复模拟功能，但是由于其建模缺乏统一可信的测量尺寸，往往无法适用于复杂建筑形体的室内外风环境和精确的风速风向，使实验结果与实际情况存在较大差异，并且存在教学直观性不强等问题。因此，在相关领域亟需寻找更为完善、便于操控的模拟方式，以便实现在工程设计和教学过程中更好地实现对建筑风环境的认知及研究。

发明内容

针对现有技术的建筑风环境实验装置的缺陷和改进需求，本发明目的在于提供一种水流模拟建筑风环境的实验装置，包括风环境模拟系统和视觉体察系统，风环境模拟系统制造循环水流流过微缩的建筑模型，通过水流模拟建筑内外的风环境作用，视觉体察体系采集记录建筑风环境作用轨迹以便进一步的深入研究，本实验装置设计精巧、结构紧凑、操作方便，模拟相似度高，实验结果有较高的研究参考价值，并且由于体积小巧、便于携带、成本低廉而特别适用于课堂教学、实验活动。

本发明为解决技术问题采用的技术方案是：

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，包括风环境模拟系统和视觉体察系统，所述风环境模拟系统包括主箱体，所述主箱体为上部开口的矩形箱体结构，所述主箱体的中部由两块平行于主箱体长边且固定在底板上的固定挡板和一块平行于主箱体短边的可抽取式的活动挡板围护成一侧开口的矩形箱体结构的内区，所述内区的四周为外区，所述内区的内部由一块平行于主箱体短边的可抽取式的活动挡板进一步分隔为缓冲区和实验区，其中开口一端为实验区，所述缓冲区与实验区的相邻处还设置有可抽取式的格栅，所述实验区内固定有建筑模型，所述外区与缓冲区相连的一侧设置有潜水泵，所述视觉体察系统包括影像采集单元和支撑装置，所述影像采集单元通过支撑装置连接在主箱体的上方。

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述实验装置还包括建筑模型固定装置，所述建筑模型固定装置由模型平台、调平螺栓和固定槽组成，所述模型平台通过调平螺栓固定在实验区的底板上，所述模型平台的上表面还固定有两个平行的固定槽，所述建筑模型的两条平行的外边缘分别固定在两个固定槽内。

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述视觉体察系统还包括实验数据显示分析工具，所述影像采集单元与实验数据显示分析工具相连，并将采集的实验数据输入实验数据显示分析工具。

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述支撑装置包括可伸缩的竖支架、横支架和滑杆，所述可伸缩的竖支架为4根，底部分别固定在底板上的实验区四个顶点处，横支架为2根，分别固定在竖支架的顶部并与主体箱体的长边相平行，所述横支架上设有轴向滑槽，所述滑杆的两端分别装有滑轮，所述滑杆通过滑轮固定在横支架的滑槽中并可沿滑槽滑动，所述影像采集单元固定在滑杆上。

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述实验装置还包括染色装置，所述染色装置包括装有色颜料的有色颜料管，所述有色颜料管的两端装有滑轮，所述有色颜料管通过滑轮固定在横支架的滑槽中并可沿滑槽滑动，所述有色颜料管的下方设有开口.

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述有色颜料管的开口为设在下方的一排圆孔，所述有色颜料管的内部设有螺旋阀门，转动螺旋阀门可使下方的一排圆孔同时开启或关闭。

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述有色颜料管的上部设有加注口，所述有色颜料管一端还设置有色颜料表。

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述格栅为两片以上，每片格栅具有不同的规格。

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述实验装置还包括顶盖，所述顶盖与主箱体相铰接，所述顶盖转动时可以开启或关闭主箱体。

一种水流模拟建筑风环境的实验装置，所述主箱体的一侧的下部设有出水口，所述主箱体的底部设有万向轮。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、风环境模拟系统制造循环水流流经建筑模型，在水流分区的作用下，流经内部实验区建筑模型的水流近似稳态平行水流，从而模拟流体（实际条件下为风）作用于建筑物时的运动方式及轨迹，实现在一定精度下通过简单易行的方式对建筑模型周边风环境的模拟实验，结构简单、操作方便、实验效果直观生动。

2、视觉体察系统由影像采集单元和支撑装置组成，可全过程采集、记录水流（实际条件下为风）作用于建筑物时的运动方式及轨迹，还可以进一步与实验数据显示分析工具连接，将实验结果输入实验数据显示分析工具，便于进行更直观的显示或深入的分析研究。

3、影像采集单元固定在支撑装置上并可沿观测面XY二轴方向自由移动，便于实现不同视高和视点的影像采集，以获得效果更佳的影像数据。

4、设有染色装置，可方便地将实验区的水流均匀染色，便于观察水流的运动轨迹，并且染色装置功能完善、操作简单。

5、实验区的前方设置有可调节的格栅，可根据实验要求更换不同规格的格栅，以调节进入实验区的水流速度、流量、方向，模拟不同建筑风环境的作用效果。

6、本发明的实验装置整体安装在可开启关闭的箱体内，结构紧凑，便于携带，对零碎的实验构件有很好的保护作用，因而特别适用于建筑风环境课堂教学、实验活动或其他类似的用途。

7、本发明的实验装置将想象思维认知赋予直观的演示，将建筑技术试验与建筑设计认知相结合，因而可作为建筑风环境设计教学与相关分析研究的重要辅助手段。

附图说明

图1为本发明水流模拟建筑风环境的实验装置的整体结构示意图。

图2为本发明水流模拟建筑风环境的实验装置的水循环示意图。

图3为本发明水流模拟建筑风环境的实验装置的短轴剖面图。

图4为本发明水流模拟建筑风环境的实验装置的长轴剖面图。

图5为本发明水流模拟建筑风环境的实验装置的建筑模型固定装置的结构示意图。

图6为本发明水流模拟建筑风环境的实验装置的染色装置的结构示意图。

图7为本发明水流模拟建筑风环境的实验装置的收纳状态示意图。

图8为本发明水流模拟建筑风环境的实验装置的开启状态示意图。

图中：主箱体1，底板2，固定挡板3，活动挡板4，格栅5，潜水泵6，万向轮7，模型平台8，调平螺栓9，固定槽10，建筑模型11，有色颜料管12，螺旋阀门13，加注口14，有色颜料表15，卡槽16，竖支架17，横支架18，滑杆19，影像采集单元20，固定旋钮21，滑轮22，顶盖23，出水口24。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1和图2，本发明的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，包括风环境模拟系统和视觉体察系统。风环境模拟系统包括主箱体1，主箱体1为上部开口的矩形箱体结构。主箱体1的中部由两块平行于主箱体1长边且固定在底板2上的固定挡板3和一块平行于主箱体1短边的可抽取的活动挡板4围护成一侧开口的矩形箱体结构的内区，内区的四周为外区。其中，固定挡板3与底板2的连接可采用焊接，活动挡板4通过卡槽16固定在底板2上。内区的内部由一块平行于主箱体1短边的可抽取式的活动挡板4进一步分隔为缓冲区和实验区，其中开口一端为实验区。缓冲区与实验区的相邻处还设置有可抽取式的格栅5，格栅5可通过卡槽16固定在底板2上。实验区内固定有建筑模型11，外区与缓冲区相连的一侧设置有潜水泵6，潜水泵6用于为水流提供流动动力。视觉体察系统包括影像采集单元20和支撑装置，影像采集单元20通过支撑装置连接在主箱体1的上方。

本发明的水流模拟建筑风环境实验装置的原理为：主箱体1的水在潜水泵6的带动下，经外区流入缓冲区，在缓冲区形成稳定匀速的水流之后进入实验区，根据相似性原理，流经实验区内的建筑模型的水流，即可模拟近似流体的环境风，即以水流的流速、方向和运动轨迹等模拟环境风的风速、风向、运动轨迹等。水流自实验区流出后，在潜水泵6形成的水压差作用下回流至潜水泵6处，循环重复流动。固定在主箱体1上方的影像采集单元20可连续拍摄实验区的水流影像，记录肉眼无法辨别的微小的影像变化，采集并存储实验结果。

参见图3和图4，本发明的水流模拟建筑风环境的实验装置，支撑装置包括可伸缩的竖支架17、横支架18和滑杆19。可伸缩的竖支架17为4根，其底部分别固定在底板2上的实验区四个顶点处。为增大实验装置的适用范围，得到更好的拍摄效果，竖支架17可制成可伸缩的多节结构，其高度可以伸缩调节，当调节到合适高度时，可通过设置在每个竖支架17上的固定旋钮21进行固定。横支架18为2根，分别固定在竖支架17的顶部，横支架18与主箱体1的长边平行，横支架18上还设有轴向滑槽。滑杆19的两端分别装有滑轮22，滑杆19通过滑轮22支撑在横支架18的滑槽中并可沿滑槽滑动。影像采集单元20固定在滑杆19上。影像采集单元20位于实验区上方并可随滑杆19在整个实验区上滑动，便于从不同位置拍摄记录水流（模拟风环境）的运动轨迹，得到效果更佳、记录更全面的实验数据，便于后续的研究分析。

参见图5，本发明的水流模拟建筑风环境的实验装置，还可以包括建筑模型固定装置，由模型平台8、调平螺栓9和固定槽10组成。模型平台8通过调平螺栓9固定在实验区的底板2上，调平螺栓9通常为4个。在模型平台8的上表面还固定有两个平行的固定槽10，建筑模型11的两条平行的外边缘分别固定在两个固定槽10内。按照一定比例制作的防水建筑模型11通过固定槽10与模型平台8固定，调平螺栓9用于将模型平台8以及其上的建筑模型11固定在底板2上，并且旋转调平螺栓9可以方便地调节模型平台8的高度，以得到最佳的实验效果。

参见图6，本发明的水流模拟建筑风环境的实验装置，为了更清楚地显示水流（模拟风环境）的运动轨迹，还可以设置染色装置，将实验区的流水染成便于观察的颜色。染色装置包括装有有色颜料的有色颜料管12，有色颜料管12上设有开口，方便滴出有色颜料用于染色。为便于固定有色颜料管12以及方便染色，可在有色颜料管12的两端装有滑轮22，使有色颜料管12通过滑轮22支撑在横支架18的滑槽中并可沿滑槽滑动，从而使有色颜料管12固定于实验区上方，有色颜料能够通过下部的开口直接滴入实验区，将流水染色。

为进一步方便控制染色过程，还可将有色颜料管12的下部开口设为一排圆孔，并在有色颜料管12的内部设有螺旋阀门13，转动螺旋阀门13可使下部的一排圆孔同时开启或关闭，使实验区同一截面的流水均匀染色。

为进一步保证有色颜料管12内的有色颜料的存储量，以及方便在存储量不足的情况下及时补入有色颜料，还可以在有色颜料管12一端还设置显示有色颜料余量的有色颜料表15，以及在有色颜料管12的上部设加注口14。

本发明的水流模拟建筑风环境的实验装置，视觉体察系统还可以进一步地包括实验数据显示分析工具，影像采集单元20与实验数据显示分析工具相连，并将采集的实验数据输入实验数据显示分析工具。实验数据显示工具通常为投影仪，实验数据分析工具通常为计算机。实验数据输入计算机后，可通过专用软件对水流的运动情况进行定量分析，从而得到待模拟建筑的环境气流风向与风速的定性关系，以进行建筑设计及建筑物理的理论研究及应用。实验数据输入投影仪后，便于在课堂显示实验结果，增强教学的直观性。

本发明的水流模拟建筑风环境的实验装置，格栅5可以为两片以上，每片格栅5具有不同的规格。使用时可更换不同形状尺寸栅缝、不同栅距的格栅，即可形成不同流速、流量的水流，非常方便地模拟不同风速、风量的建筑风环境，扩大实验范围，增强实验效果。

为便于携带和保护本实验装置，还包括设置顶盖23，顶盖23与主箱体1相铰接，顶盖23转动时可以开启或关闭主箱体1。参见图7和图8，本实验装置的收纳和开启状态示意图。顶盖23闭合时，实验装置全部构件收纳于箱体内，起到很好的保护作用。

本发明的水流模拟建筑风环境的实验装置，为方便使用，还可以在主箱体1的一侧的下部设有出水口24，实验结束后，可以方便地将主箱体1内的水排除。为方便自由移动和固定，还可以在主箱体1的底部设置万向轮7。

本发明的水流模拟建筑风环境的实验装置，为防止渗水导致实验产生误差，还可以在固定档板3与底板2的连接部位、活动挡板4与卡槽16的连接部位用密封玻璃胶或者密封橡胶进行密封。

本发明的水流模拟建筑风环境的实验装置的使用步骤为：

1、安装风环境模拟系统，包括：将实验装置置于水平的工作台上，打开顶盖23；旋转调平螺栓9使模型平台8至合适高度并保持水平，并将待进行模拟的等比例防水建筑模型11用固定槽10固定在模型平台8上；观察有色颜料表15以察看有色颜料管12内的颜料是否足够，若不足则通过加注口14内加入所需颜料；在外区与缓冲区、缓冲区与实验区之间分别插入活动挡板4，并用活塞堵住出水口24。

2、安装视觉体察系统。调整可伸缩的竖支架17至合适高度后，旋转固定旋钮21加以固定；将调整影像采集单元20至最佳观察位置，然后打开影像采集单元20，并与电脑和投影仪连接。

3、注水并启动水循环，包括：向主箱体1内部加水至水槽高度3/4处；接通潜水泵6电源，调试影像采集单元20直至达到最佳实验画面；抽出外区与缓冲区的活动挡板4，使潜水泵6对缓冲区内部注水；当缓冲区水面高度达到挡板高度3/4时，抽出缓冲区与实验区的活动挡板4，保留格栅5，向实验区注水。

4、调节得到稳态水流，包括：观察水流的流动情况，适当调整模型平台8高度、调整格栅5位置、调节潜水泵6使用功率及影像采集单元20的拍摄位置，直至得到稳定的水循环过程，使实验区水流近似稳态平行，并使影像采集单元20得到最佳的拍摄效果。

5、正式实验，包括：开启螺旋阀门13，使有色颜料滴下数滴后关闭螺旋阀门13；观察有色颜料在水流中的运动情况；利用影像采集单元20记录实验区的稳态水流以及有色颜料在水流中的运动情况，即得到建筑风环境模拟实验的实验结果；将实验结果输入电脑和投影仪进行播放或者存储；调节潜水泵6的功率、更换不同的格栅5可以模拟不同风速下建筑的风环境，进行对比试验。

6、实验结果分析，包括：计算机通过专用软件对采集拍摄得到的实验结果进行分析，从而得到待模拟建筑的环境气流风向与风速的定性关系，辅助研究建筑设计及建筑物理研究的相关课题。

Claims (10)

1.一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：包括风环境模拟系统和视觉体察系统；

所述风环境模拟系统包括主箱体(1)，所述主箱体(1)为上部开口的矩形箱体结构，所述主箱体(1)的中部由两块平行于主箱体(1)长边且固定在底板(2)上的固定挡板(3)和一块平行于主箱体(1)短边的可抽取式的活动挡板(4)围护成一侧开口的矩形箱体结构的内区，所述内区的四周为外区，所述内区的内部由一块平行于主箱体(1)短边的可抽取式的活动挡板(4)进一步分隔为缓冲区和实验区，其中开口一端为实验区，所述缓冲区与实验区的相邻处还设置有可抽取式的格栅(5)，所述实验区内固定有建筑模型(11)，所述外区与缓冲区相连的一侧设置有潜水泵(6)；

所述视觉体察系统包括影像采集单元(20)和支撑装置，所述影像采集单元(20)通过支撑装置连接在主箱体(1)的上方。

2.根据权利要求1所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括建筑模型固定装置，所述建筑模型固定装置由模型平台(8)、调平螺栓(9)和固定槽(10)组成，所述模型平台(8)通过调平螺栓(9)固定在实验区的底板(2)上，所述模型平台(8)的上表面还固定有两个平行的固定槽(10)，所述建筑模型(11)的两条平行的外边缘分别固定在两个固定槽(10)内。

3.根据权利要求1所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述视觉体察系统还包括实验数据显示分析工具，所述影像采集单元(20)与实验数据显示分析工具相连，并将采集的实验数据输入实验数据显示分析工具。

4.根据权利要求1中所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述支撑装置包括可伸缩的竖支架(17)、横支架(18)和滑杆(19)，所述可伸缩的竖支架(17)为4根，底部分别固定在底板(2)上的实验区四个顶点处，横支架(18)为2根，分别固定在竖支架(17)的顶部并与主箱体(1)的长边相平行，所述横支架(18)上设有轴向滑槽，所述滑杆(19)的两端分别装有滑轮(22)，所述滑杆(19)通过滑轮(22)固定在横支架(18)的滑槽中并可沿滑槽滑动，所述影像采集单元(20)固定在滑杆(19)上。

5.根据权利要求1所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括染色装置，所述染色装置包括装有色颜料的有色颜料管(12)，所述有色颜料管(12)的两端装有滑轮(22)，所述有色颜料管(12)通过滑轮(22)固定在横支架(18)的滑槽中并可沿滑槽滑动，所述有色颜料管(12)的下方设有开口。

6.根据权利要求5所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述有色颜料管(12)的开口为设在下方的一排圆孔，所述有色颜料管(12)的内部设有螺旋阀门(13)，转动螺旋阀门(13)可使下方的一排圆孔同时开启或关闭。

7.根据权利要求6所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述有色颜料管(12)的上部设有加注口(14)，所述有色颜料管(12)一端还设置有色颜料表(15)。

8.根据权利要求1所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述格栅(5)为两片以上，每片格栅(5)具有不同的规格。

9.根据权利要求1所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述实验装置还包括顶盖(23)，所述顶盖(23)与主箱体(1)相铰接，所述顶盖(23)转动时可以开启或关闭主箱体(1)。

10.根据权利要求1所述的一种水流模拟建筑风环境的实验装置，其特征在于：所述主箱体(1)的一侧的下部设有出水口(24)，所述主箱体(1)的底部设有万向轮(7)。