CN104729823A - 用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置,包括直流式大气边界层风洞(1)、沙粒回收槽(8)、风沙流漏斗槽(9)和风沙流供沙床面(16)。直流式大气边界层风洞(1)由风扇段(2)、稳定段(3)、蜂窝器和阻尼网(4)、收缩段(5)、实验段(6)和扩散段(7)组成。沙粒回收槽(8)安装在紧邻直流式大气边界层风洞(1)的出口地面上。风沙流漏斗槽(9)安装在实验段(6)前端的风洞外顶部。风沙流供沙床面(16)由数个尺寸相同的供沙槽拼装成一体,安装在实验段(6)内。对风沙流漏沙槽(9)和风沙流供沙床面(16)进行调整,可使通过风吹落沙和风吹床面沙所得的风沙两相流边界条件适用于建筑物和构筑物的风沙实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种风沙两相流实验装置,特别涉及一种用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置。
背景技术
在20世纪40年代,拜格诺、切皮尔等人开始利用风洞进行风沙运动和土壤风蚀的实验研究。兹纳门斯基专门设计和建造了沙风洞,开展沙地风蚀过程和沙堆防止问题的实验研究。1967年,中国科学院地理研究所的沙风洞在兰州建成投入使用。1988年到1990年,原中国科学院兰州沙漠研究所在沙坡头试验站设计建造了一座中型的土壤风蚀风洞。根据国内外的资料,当前在风洞中进行的风沙模拟实验研究主要包括:风沙运动的实验研究;风蚀作用的试验;风积地貌形态形成的实验研究;风沙电实验;防沙工程模拟实验;林带、林网及防风沙效益的实验研究。综上所述,当前的风沙研究还主要集中于风沙运动现象和防风沙工程方面,还鲜见把风沙运动和其对建筑物和构筑物的作用效应相结合的研究。中国专利CN103091116A公布一种模拟沙漠气候条件下的高速吹沙环境的实验装置,为铁路客车生产中的各相关部件、设备、装置进行耐沙漠气候环境提供实验条件。中国专利CN101398343A公布一种模拟风沙运动和防沙治沙工程的实验装置。中国专利CN103175672A公布一种模拟风沙冲击的工程机械用散热器风洞及其使用方法。上述专利涉及的风沙两相流实验装置均不能适用于建筑物和构筑物风沙实验,没有考虑实验模拟的风沙两相流的实验相似准则。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置。本发明的实验装置在基于风沙流运动的风洞实验相似准则基础上,能够考虑沙床面风速的梯度分布和输沙通量的梯度分布。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明的风沙两相流实验装置包括直流式大气边界层风洞、风沙流漏沙槽、风沙流供沙床面,以及沙粒回收槽。直流式大气边界层风洞是风沙两相流实验装置的主体结构,风沙流漏沙槽安装固定在直流式大气边界层风洞的实验段前端的风洞外顶部,风沙流供沙床面安装在直流式大气边界层风洞的实验段内,并可在实验段内滑动或固定,沙粒回收槽安装于紧邻直流式大气边界层风洞出口的地面上。
所述的直流式大气边界层风洞包括风扇段、稳定段、蜂窝器和阻尼网、收缩段、实验段和扩散段。风扇段位于直流式大气边界层风洞的最前端,稳定段、蜂窝器和阻尼网、收缩段、实验段和扩散段依次顺序连接;气流通过风扇段进入稳定段,再依次通过蜂窝器和阻尼网、收缩段,进入到实验段,风沙两相流实验在实验段中进行,而后风沙两相流经过扩散段排放出风洞。
风扇转动而使空气从外界进入风洞的稳定段,再经过蜂窝器和阻尼网使气流得到梳理与均匀,然后由收缩段使气流得到加速而在实验段中形成流动方向一致、速度均匀的稳定气流,风洞的气流速度是靠风扇的转速来控制的。扩散段的主要作用是将气流的动能变成压力能,将实验段后的气流尽量降低速度,把动能转变成压力能,减少能量损失。经过扩散段后,气流流出风洞。
所述的沙粒回收槽由安装于紧邻直流式大气边界层风洞出口的地面上。所述的沙粒回收槽侧面和底面封闭,顶面为开口,用于接收吹出风洞的实验用沙,便于实验用沙的循环利用和回收利用。
所述的风沙流漏沙槽包括梯形漏斗、漏沙孔、堵头、流量控制阀和漏沙管。所述的梯形漏斗倒置,上宽下窄,侧面和底面封闭,顶面为开口,安装固定在所述的直流式大气边界层风洞的外顶部,位于实验段的前端。所述的梯形漏斗贴在实验段顶面,在梯形漏斗的底面开有通孔,和梯形漏斗底面贴合的实验段的顶面也开有通孔,梯形漏斗底面的通孔和实验段的顶面的通孔数量相同,一一对应布置,形成漏沙孔。漏沙孔沿所述实验段宽度方向布置,漏沙孔的数量为5个到11个之间的单数。漏沙管位于漏沙孔下部,漏沙管的一端连接漏沙孔,漏沙管的另一端竖直向下插入实验段内。漏沙管与漏沙孔连接的一端有螺纹。所述的漏沙孔内有丝扣,漏沙孔通过丝扣分别和带有螺纹的所述堵头,以及带有螺纹的所述流量控制阀和所述漏沙管连接。当所述的直流式大气边界层风洞内需要气流作用时,所述的堵头连接所述的丝扣,由于丝扣严丝合缝固定安装在漏沙孔内,所以连接的堵头能够堵住漏沙孔。当所述的直流式大气边界层风洞内需要风沙两相流作用时,去除堵头,并将带有螺纹的所述的流量控制阀的上端连接所述的丝扣,流量控制阀的下端连接带有螺纹的所述漏沙管,所述的漏沙管竖直向下深入到实验段内,实验选取的沙粒从梯形漏斗中穿过漏沙孔和流量控制阀,再经过漏沙管落入直流式大气边界层风洞的实验段内。通过调整所述的梯形漏斗中盛放的沙量,可以调整并控制每次实验所需要落沙的总量。通过调整所述的流量控制阀,可以调整并控制落沙的流速。通过选取不同高度的漏沙管,可以调整落沙的高度。
所述的风沙流供沙床面由多个尺寸相同的供沙槽组成,供沙槽的侧面和底面封闭,顶面为开口,多个供沙槽拼装成一体,安装在所述的直流式大气边界层风洞的实验段内。供沙槽可在实验段内滑动并固定,可以通过调整并固定风沙流供沙床面在实验段内的不同位置,从而调整吹沙的沙量、吹沙流速和吹沙高度。供沙槽的前挡板和后挡板可拆卸。当进行风沙实验时,需要拆下前挡板和后挡板,当对供沙槽进行装填实验用沙时,需要装上前挡板和后挡板。
本发明具有如下特点:
第一,针对风沙流漏沙槽,能够对梯形漏斗、流量控制阀和漏沙管进行调节,从而能够调整并控制落沙的流量、流速和落沙高度。针对风沙流供沙床面,能够调整并固定供沙槽在实验段内的不同位置,从而调整吹沙的沙量、吹沙的流速和吹沙高度。基于风沙流运动的风洞实验相似准则为基础,以用于建筑物和构筑物风沙实验所需的沙床面风速梯度分布和输沙通量梯度分布为目的,对风沙流漏沙槽和风沙流供沙床面进行调整,从而保证通过风吹落沙和风吹床面沙所得的风沙两相流边界条件能够满足建筑物和构筑物的风沙实验要求。
第二,沙粒回收槽用于接收吹出风洞的实验用沙,能够保证实验用沙的循环利用和回收利用。
本发明工作过程如下:
经过沙尘高温烘干、沙尘粒径筛选和沙粒天平称重三道工序,选取用于实验的沙粒。将选取的沙粒装填在风沙流漏沙槽和风沙流供沙床面中。在风洞实验段内安装并固定沙粒,启动风速测试仪、风速轮廓测试仪和梯度集沙测试仪。将建筑物或构筑物的实验模型安装在风洞的转盘中央,将六分力测力天平安装在模型基座处,完成风沙两相流实验的准备工作。
启动风机,产生风沙流场,通过调整风沙流漏沙槽和风沙流供沙床面,改变风沙流场的流场参数,直到沙粒起动风速测试仪、风速轮廓测试仪和梯度集沙测试仪测得的风沙流场参数能够满足风沙流运动的风洞实验相似准则、沙床面风速梯度分布和输沙通量梯度分布规律。此时的风沙流漏沙槽和风沙流供沙床面的设置就成为适用于建筑物和构筑物风沙实验的实验设置。
开启测试仪器,在采样时间过程中,测力天平记录模型的六方向分力,风速轮廓测试仪、梯度集沙测试仪和沙粒起动风速测试仪记录风沙两相流边界条件,沙粒回收槽用于接收吹出风洞的实验用沙,完成建筑物或构筑物风沙实验的全过程。
附图说明
图1是直流式大气边界层风洞的结构示意图;
图2a是风沙两相流场下的风沙流漏沙槽的结构示意图;
图2b是风流场下的风沙流漏沙槽的结构示意图;
图3是风沙流供沙床面的结构示意图;
图4是沙粒回收槽的结构示意图;
图5是建筑物和构筑物的实验模型进行风沙实验的示意图;
图中:1直流式大气边界层风洞、2风扇段、3稳定段、4蜂窝器和阻尼网、5收缩段、6实验段、7扩散段、8沙粒回收槽、9风沙流漏沙槽、10梯形漏斗、11漏沙孔、12丝扣、13流量控制阀、14漏沙管、15堵头、16风沙流供沙床面、17前挡板、18后挡板、19沙粒起动风速测试仪、20风速轮廓测试仪、21梯度集沙测试仪、22实验模型。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明实施例是一种用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置。
本发明的实验装置结构如图1、图2a、图2b、图3和图4所示。风沙两相流实验装置包括直流式大气边界层风洞1、沙粒回收槽8、风沙流漏斗槽9,以及风沙流供沙床面16。直流式大气边界层风洞1是风沙两相流实验装置的主体结构,风沙流漏沙槽9安装固定在直流式大气边界层风洞1的实验段6前端的风洞外顶部,风沙流供沙床面16安装在直流式大气边界层风洞1的实验段6内,并可在实验段6内滑动或固定,沙粒回收槽8安装于紧邻直流式大气边界层风洞1出口的地面上。
如图1所示,直流式大气边界层风洞1由风扇段2、稳定段3、蜂窝器和阻尼网4、收缩段5、实验段6和扩散段7组成。风扇段2位于直流式大气边界层风洞1的最前端,所述的稳定段3、蜂窝器和阻尼网4、收缩段5、实验段6和扩散段7依次顺序连接;气流通过风扇段2进入稳定段3,再依次通过蜂窝器和阻尼网4、收缩段5,进入到实验段6,风沙两相流实验正是在实验段6中进行,而后风沙两相流经过扩散段7排放出直流式大气边界层风洞1。
图4所示的沙粒回收槽8安装于紧邻直流式大气边界层风洞1出口的地面上,用于接收吹出风洞的实验用沙,便于实验用沙的循环利用和回收利用。
图2a和图2b所示的风沙流漏斗槽9由梯形漏斗10、漏沙孔11、流量控制阀13、漏沙管14和堵头15组成。所述的梯形漏斗10安装固定在所述的直流式大气边界层风洞1的外顶部,位于实验段6的前端。所述的梯形漏斗10贴在实验段6顶面,在梯形漏斗10的底面开有通孔,和梯形漏斗底面贴合的实验段的顶面也开有通孔,梯形漏斗底面10的通孔和实验段的顶面的通孔数量相同,一一对应布置,形成漏沙孔11。漏沙管14位于漏沙孔11的下部,漏沙管14的一端连接漏沙孔11,漏沙管14的另一端竖直向下插入实验段内。漏沙管14与漏沙孔11连接的一端有螺纹。漏沙孔11内有丝扣12,丝扣12分别和带有螺纹的所述堵头15和带有螺纹的所述流量控制阀13和所述漏沙管14连接。当所述的直流式大气边界层风洞1内需要气流作用时,所述的堵头15用于堵住漏沙孔11。当所述的直流式大气边界层风洞1内需要风沙两相流作用时,去除堵头15,并将带有螺纹的所述流量控制阀13的上端连接所述的丝扣12,下端连接所述的带有螺纹的漏沙管14,所述的漏沙管14竖直向下深入到实验段内。实验选取的沙粒从梯形漏斗10中穿过漏沙孔11和流量控制阀13,再经过漏沙管14落入直流式大气边界层风洞1的实验段6内。通过调整所述的梯形漏斗10中盛放的沙量,可以调整并控制每次实验所需要落沙的总量。通过调整所述的流量控制阀13,可以调整并控制落沙的流速。通过选取不同高度的漏沙管14,可以调整落沙的高度。
图3所示的风沙流供沙床面16由数个尺寸相同的供沙槽拼装成一体,安装在所述的实验段6内,可在实验段6内滑动并固定。通过调整并固定风沙流供沙床面16在直流式大气边界层风洞实验段6内的不同位置,从而调整吹沙的沙量、吹沙的流速和吹沙高度。其中供沙槽的前挡板17和后挡板18可拆装。当进行风沙实验时,卸下前挡板17和后挡板18需要,当对供沙槽进行装沙时,装上前挡板17和后挡板18。
图5所示是建筑物或构筑物的实验模型进行风沙实验的示意图。沙经过沙尘高温烘干、沙尘粒径筛选和沙粒天平称重三道工序,选取用于实验的沙粒。将选取的沙粒安放在风沙流漏沙槽9和风沙流供沙床面16中。在直流式大气边界层风洞的实验段6内安装并固定沙粒起动风速测试仪19、风速轮廓测试仪20和梯度集沙测试仪21。将建筑物或构筑物的实验模型22安装在直流式大气边界层风洞的转盘中央,将六分力测力天平安装在模型基座处,完成风沙两相流实验的准备工作。启动风机,产生风沙流场,通过调整风沙流漏沙槽9和风沙流供沙床面16,改变风沙流场的流场参数,直到沙粒起动风速测试仪19、风速轮廓测试仪20和梯度集沙测试仪21测得的风沙流场参数能够满足风沙流运动的风洞实验相似准则、沙床面风速梯度分布和输沙通量梯度分布规律。此时的风沙流漏沙槽9和风沙流供沙床面16的设置就成为能够适用于建筑物和构筑物风沙实验的实验设置。开启测试仪器,在采样时间过程中,测力天平记录模型的六方向分力,沙粒起动风速测试仪19、风速轮廓测试仪20和梯度集沙测试仪21记录风沙两相流边界条件,沙粒回收槽8用于接收吹出风洞的实验用沙,完成建筑物或构筑物风沙实验的全过程。
Claims (4)
1.一种用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置,其特征在于:所述的风沙两相流实验装置包括直流式大气边界层风洞(1)、沙粒回收槽(8)、风沙流漏斗槽(9)和风沙流供沙床面(16);所述的直流式大气边界层风洞(1)由风扇段(2)、稳定段(3)、蜂窝器和阻尼网(4)、收缩段(5)、实验段(6)和扩散段(7)组成;所述的风扇段(2)位于直流式大气边界层风洞(1)的最前端,所述的稳定段(3)、蜂窝器和阻尼网(4)、收缩段(5)、实验段(6)和扩散段(7)依次顺序连接;气流通过风扇段(2)进入稳定段(3),再依次通过蜂窝器和阻尼网(4)、收缩段(5),进入到实验段(6),而后风沙两相流经过扩散段(7)排放出直流式大气边界层风洞(1);所述的风沙流漏沙槽(9)安装固定在直流式大气边界层风洞(1)的实验段(6)前端的风洞外顶部,风沙流供沙床面(16)安装在直流式大气边界层风洞(1)的实验段(6)内,并能够在实验段(6)内滑动或固定,所述的沙粒回收槽(8)安装于紧邻直流式大气边界层风洞(1)出口的地面上。
2.按照权利要求1所述的用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置,其特征在于:所述的沙粒回收槽(8)侧面和底面封闭,顶面为开口,用于接收吹出风洞的实验用沙。
3.按照权利要求1所述的用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置,其特征在于:风沙流漏斗槽(9)由梯形漏斗(10)、漏沙孔(11)、流量控制阀(13)、漏沙管(14)和堵头(15)组成;所述的梯形漏斗(10)安装固定在所述的直流式大气边界层风洞(1)的外顶部,位于实验段(6)的前端;所述的漏沙孔(11)内有丝扣(12),漏沙孔(11)通过丝扣(12)分别和带有螺纹的所述堵头(15)和带有螺纹的所述漏沙管(14)连接,所述的漏沙管(14)位于漏沙孔(11)的下部,漏沙管(14)的一端与漏沙孔(11)连接,漏沙管(14)的另一端竖直向下插入实验段(6)内;漏沙管(14)与漏沙孔(11)连接的一端有螺纹;当所述的直流式大气边界层风洞(1)内需要气流作用时,所述的的堵头(15)连接所述的丝扣(12),堵住漏沙孔(11);当所述的直流式大气边界层风洞(1)内需要风沙两相流作用时,去除堵头(15),将带有螺纹的所述流量控制阀(13)的上端连接所述的丝扣(12),流量控制阀(13)的下端连接所述的漏沙管(14)。
4.按照权利要求1所述的用于建筑物和构筑物风沙实验的风沙两相流实验装置,其特征在于:风沙流供沙床面(16)由多个尺寸相同的供沙槽拼装成一体,安装在所述的实验(6)内,能够在实验段(6)内滑动并固定;通过调整风沙流供沙床面(16)在实验段(6)内的移动位置,调整吹沙的沙量、吹沙的流速和吹沙高度;所述供沙槽的前挡板(17)和后挡板(18)能够拆装。
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