CN105675244B - 一种城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置，该装置由风洞机构、连续街谷机构、烟气流场示踪机构、街谷底板加热机构和多参数测量机构组成，连续街谷机构包括2个街道峡谷，三个建筑和底板共同组成连续街谷机构，其中三个建筑是用透明防火玻璃构成，底板由耐火砖构成；街谷底板加热机构是在底板中等间距布置碳硅加热棒，均匀加热连续街谷底板，用于模拟不同太阳辐照加热街谷地面的场景；为了研究城市环境风和燃烧强热浮力源耦合作用下城市连续街谷内流场及典型污染物扩散规律，本发明提供一套可以研究环境风和燃烧强热浮力源耦合作用下城市连续街谷内流场及典型污染物扩散规律特征的实验装置。

Description

一种城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置

技术领域

本发明涉及城市街谷污染物扩散领域，具体的涉及一种城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置。

背景技术

随着城市化进程的快速推进，城市高层建筑群逐渐增多。城市覆盖层内相邻高层建筑物与地面围合形成的类似“街道峡谷”的空间，称之为城市街道街谷，简称“街谷”。街谷是城市的基本构成单元，受建筑高度、密度和容积率的影响，不同高宽比的建筑群构成的街谷形态各异，在很大程度上影响了街谷内的流场；当大气环境中的来流风垂直于城市街谷轴线时，会在城市街谷内部形成涡旋，而涡旋的特征，一般由建筑物高度和街谷宽度比值起着主要影响作用。另外，机动车尾气排放在街道中行驶所产生的气流与热量，因为建筑群的风阻塞效应，街谷内部会出现尾气滞流的现象，进而导致城市街谷内通风不畅，散热缓慢、空气混浊等环境问题。近年来随着城市雾霾的持续影响，城市街谷内流场和机动车尾气扩散研究成为人们关心的焦点，国内外大量学者通过现场观测，风洞、水槽等物理模拟试验和数值计算来研究城市街谷内尾气流场和污染物扩散规律进行了大量研究，取得了较大进展，这类研究对于城市建筑风工程、建筑设计以及污染物扩散研究具有重要科学意义。

但是在当前有关城市街谷内流场及污染物扩散特性的研究主要集中在机动车尾气扩散领域，均没有考虑强热浮力源效应，在城市街谷内存在环境风和燃烧强热浮力源耦合作用下，街谷内的流场结构及污染物扩散具有不同于常规无热浮力源及日光均匀加热地面条件下的行为模式及特征。人们对这种城市街谷内发生如火灾时的燃烧强热浮力源情况下的流场显示及典型污染物扩散特性规律缺乏深入了解，尤其是针对连续街谷情况，外界环境风所产生的涡旋效应会将污染物卷进临近街谷内，这将可能会导致更大的灾害。而现有的现场观测又受到气象条件影响，边界条件难以控制，无法做到精确测量，同时也受到交通环境制约，交通车流量很大的街谷内进行流场观测存在一定的难度。对正处于建筑规划设计阶段的建筑群，进行事先的观测是不切实际的，只能做一些数值计算，但大尺度街谷内流场及污染物扩散特性数值模拟仿真存在一定的误差，而建造大尺寸的街谷内流场及污染物扩散研究实验平台是比较耗费财力和代价的，同时实验边界条件也难以精确控制，因此急需建立相关物理实验平台展开研究，对科学设计城市街谷内大尺度火灾等突发事故情况下城市污染物扩散的应急响应与决策具有重要参考意义。

发明内容

为了研究环境风和燃烧强热浮力源耦合作用下城市连续街谷内流场及典型污染物扩散规律，本发明提供一套可以研究城市连续街谷内存在燃烧强热浮力源情况下流场及典型污染物扩散规律特征的实验装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置，所述的实验装置分为5个部分，即风洞机构、连续街谷机构、烟气流场示踪机构、街谷底板加热机构和多参数测量机构；其中，

所述的风洞机构包括设有简易隧道结构和纵向通风装置，纵向通风装置包括二个以上的变频风机和二个以上的导流风管，形成蜂窝状结构，为连续峡谷街道提供稳定的环境风，可用由二个以上的风速探头进行标定；

所述的连续街谷机构包括2个街道峡谷，第一个街谷是上游建筑和中间建筑之间的峡谷，第二个街谷是中间建筑和下游建筑之间的峡谷；上游建筑、中间建筑、下游建筑和底板共同组成连续街谷机构，其中上游建筑、中间建筑和下游建筑是用透明防火玻璃构成，底板由耐火砖构成；

所述的烟气流场示踪机构包括偏光激光源、发烟装置；其中偏光激光源产生偏光束，在发烟装置中燃烧烟饼或檀香，产生的烟颗粒在热量的驱动下，沿设计路线蔓延，再用数码摄像机拍摄连续街谷内由偏光激光源照亮的示踪粒子扩散图像；

所述的街谷底板加热机构是在底板中等间距布置碳硅加热棒，均匀加热连续街谷底板，用于模拟不同太阳辐照加热街谷地面的场景；

所述的多参数测量机构包括数码摄像机、热电偶和一氧化碳探头；所述数码摄像机用于拍摄街谷内烟气，观察记录烟气流动扩散特性；所述的热电偶位于火源上方、上游建筑背风面、中间建筑两侧和下游建筑迎风面，竖向等间距设置，用于检测不同环境风作用下连续街谷内不同部位的火羽流温度；所述一氧化碳探头用于测量街谷内一氧化碳浓度，设置在两个街谷内中间位置。

其中，所述上游建筑、中间建筑和下游建筑的高度、宽度和长度可调节，用于模拟不同高宽比的街道峡谷。

其中，所述街谷的宽度可变化，用于模拟不同宽度的街道峡谷内流场显示和污染物扩散特征。

其中，所述的风洞机构通过2个以上的变频风机产生城市地面风速廓线(风速随高度变化的规律，称为风速廓线)，呈现指数形式或者对数形式，同时连续街谷模型也可调整在简易隧道结构的放置角度，用于模拟不同风向和风速大小情况下，街谷内流场显示和典型污染物的扩散分布特征。

其中，所述的火源通过多孔气体燃烧器产生稳定火源，采用质量流量计控制火灾规模。

其中，所述的上游建筑、中间建筑和下游建筑的顶部形状可变，分别为：方顶型、三角形和圆顶形，可用于研究不同建筑顶部形状组成街谷内的烟气蔓延和扩散特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)在实验模型尺度方面，本实验按照量纲相似理论设计，本发明首次建立了一套研究城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置，风洞结构内风速调节装置、烟气流场示踪机构、街谷底板加热机构和多参数测量机构操作便捷，实验装置具有完备的配套烟羽流示踪和特征参数测量系统。

(2)在街谷内烟气流动和污染物扩散模拟实验方面，该实验系统可以利用烟饼产生的烟颗粒对街谷内火灾烟羽流进行示踪，对街谷内火灾产生烟羽流不会产生干扰，对人体也没有伤害。并用偏光源火灾烟羽流和烟饼产生的烟颗粒进行照射，可以清楚和真实的模拟连续街谷内烟羽流蔓延和扩散过程，实时记录火灾烟羽流流动扩散过程中各个相关参数(如一氧化碳等)演化特征。

(3)本发明的多参数数据采集机构可以采集烟气扩散特性、温度分布和一氧化碳浓度数据，可以获取不同环境风情况下街谷内烟气流动和污染物扩散采集数据，实现不同采集需求，同时可以根据实验目的，调整街谷形状，宽高比以及连续街谷的宽度来获得所需的实验数据，实现功能的多样化。

(4)在街谷模拟火源设置方面，采用气体燃料，设置了专门的质量流量及压力表，可以连续调节气体燃料流量，增加了对街谷内火灾燃烧过程的控制，在试验结束或出现火势失控等意外情况下能够及时的关停火源，避免事故的发生。

(5)在实验环境模拟方面，本发明设计了一个街谷底板加热机构，在底板中等间距布置碳硅加热棒，根据不同实验需要，加热连续街谷底板，用于模拟不同太阳辐照加热街谷地面的场景。

附图说明

图1是本发明的连续街谷流场及污染物扩散研究实验装置示意图；

图2是图1的局部放大图；

图3是本发明的街谷建筑顶部形状示意图；

图4是本发明的配套参数测量示意图；

附图中各标号代表的部件含义如下：

1为上游建筑；2为中间建筑；3为下游建筑；4为底板；5为简易隧道结构；6为变频风机；7为导流风管；8为火源；9为偏光激光源；10为偏光束；11为发烟装置；12为碳硅加热棒；13为数码摄像机；14为热电偶；15为一氧化碳探头；16为风速探头。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的进行进一步说明。

参见图1、图2、图3和图4，城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置示意图，城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置分为5个部分，即风洞机构、连续街谷机构、烟气流场示踪机构、街谷底板加热机构和多参数测量机构；

参见图1，风洞机构包括设有简易隧道结构5和纵向通风装置，简易隧道结构5高度为1.8-2.2米，宽度为1.5-2米，长度为15-20米。纵向通风装置由二个以上的变频风机6和二个以上的导流风管7组成，形成蜂窝状结构，为连续峡谷街道提供稳定的环境风；风洞机构通过2个以上的变频风机产生城市地面风速廓线(风速随高度变化的规律，称为风速廓线)，可呈现指数形式或者对数形式，可用由二个以上的风速探头16进行标定。

参见图2，连续街谷机构包括2个街道峡谷(简称“街谷”)组成，第一个街谷是上游建筑1和中间建筑2之间的峡谷，第二个街谷是中间建筑2和下游建筑3之间的峡谷；上游建筑1、中间建筑2、下游建筑3和底板4共同组成连续街谷机构，其中上游建筑1、中间建筑2和下游建筑3是用透明防火玻璃组成，底板4有耐火砖组成。同时三个建筑的长度L为1-1.2米，根据实验需要，上游建筑1高度H1、中间建筑2高度H2和下游建筑3高度H3、宽度W1，W2可改变，街谷的宽度W可变化，用于模拟不同宽高比连续街谷街道内车辆火灾情况下(燃烧强热浮力源)污染物温度场、一氧化碳浓度场的分布规律。参见图3，上游建筑1、中间建筑2和下游建筑3的顶部形状可变，分别为：方顶型、三角形和圆顶形，可用于研究不同建筑顶部形状组成街谷内的烟气扩散和典型污染物卷进相邻街谷的现象。连续街谷机构也可调整在简易隧道结构5内的放置角度，用于模拟连续街谷街道内车辆火灾等燃烧强热浮力源在不同风向和风速大小响应情况下，连续街谷内流场显示和典型污染物的扩散分布特征。

参见图1，烟气流场示踪机构包括偏光激光源9、发烟装置11；其中偏光激光源9产生绿色偏光束10，在发烟装置11中点燃烟饼或檀香，产生的烟颗粒在热量的驱动下，沿设计路线蔓延，进而和火源8所产生的烟羽流汇合，用于火源8的强热浮力作用下示踪烟羽流，并用高清数码摄像机13拍摄连续街谷内激光光源照亮的示踪粒子(点燃烟饼或檀香，产生的烟颗粒)扩散图像，观察记录连续街谷内强浮力作用下的烟颗粒流动扩散现象，尤其是涡旋效应，进而用PIV自相关算法研究示踪粒子运动轨迹，进而了解连续街谷街道内车辆火灾燃烧等强热浮力源情况下污染物流动特性和涡旋产生机制以及涡旋随风速移动规律。

参见图2，街谷底板加热机构是在底板4中等间距布置碳硅加热棒12，均匀加热连续街谷底板，其中碳硅加热棒12由三根以上直径为15mm的U型碳棒组成，U型碳棒的两端埋在底板4中，加热过程由智能数字调节器(如AL808系列等)自动调节控制。碳硅加热棒12可调的最大电流强度为20A。在实验开始前设定最大电流量，碳硅加热棒12自动升温。实现底板4温度在20-60摄氏度范围内变化，用于模拟不同太阳辐照加热街谷地面的场景，存在一定的热浮力差，进而影响污染物在连续街谷内的扩散行为。

参见图4，多参数测量机构包括热电偶14和一氧化碳探头15；热电偶14位于火源8上方、上游建筑1背风面、中间建筑2两侧和下游建筑3迎风面，竖向等间距设置，用于检测不同环境风作用下连续街谷内不同部位的火焰或羽流温度；一氧化碳探头15用于测量街谷内一氧化碳浓度，设置在两个街谷内中间位置；火源8通过多孔气体燃烧器产生稳定火源，采用质量流量计控制火灾规模，用于模拟连续街谷街道内车辆火灾等燃烧强热浮力源情景。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置，其特征在于，所述的实验装置分为5个部分，即风洞机构、连续街谷机构、烟气流场示踪机构、街谷底板加热机构和多参数测量机构；其中，

所述的风洞机构包括设有简易隧道结构(5)和纵向通风装置，纵向通风装置包括二个以上的变频风机(6)和二个以上的导流风管(7)，形成蜂窝状结构，为连续峡谷街道提供稳定的环境风，用二个以上的风速探头进行标定；

所述的连续街谷机构包括2个街谷，第一个街谷是上游建筑(1)和中间建筑(2)之间的峡谷，第二个街谷是中间建筑(2)和下游建筑(3)之间的峡谷；上游建筑(1)、中间建筑(2)、下游建筑(3)和底板(4)共同组成连续街谷机构，其中上游建筑(1)、中间建筑(2)和下游建筑(3)是用透明防火玻璃构成，底板(4)由耐火砖构成；

所述的烟气流场示踪机构包括偏光激光源(9)、发烟装置(11)；其中偏光激光源(9)产生偏光束(10)，在发烟装置(11)中燃烧烟饼或檀香，产生的烟颗粒在热量的驱动下，沿设计路线蔓延，再用数码摄像机(13)拍摄街谷内由偏光激光源(9)照亮的示踪粒子扩散图像；

所述的街谷底板加热机构是在底板(4)中等间距布置碳硅加热棒(12)，均匀加热街谷底板，用于模拟不同太阳辐照加热街谷地面的场景；

所述的多参数测量机构包括数码摄像机(13)、热电偶(14)和一氧化碳探头(15)；所述数码摄像机(13)用于拍摄街谷内烟气，观察记录烟气流动扩散特性；所述的热电偶(14)位于火源(8)上方、上游建筑(1)背风面、中间建筑(2)两侧和下游建筑(3)迎风面，竖向等间距设置，用于检测不同环境风作用下街谷内不同部位的火羽流温度；所述一氧化碳探头(15)用于测量街谷内一氧化碳浓度，设置在两个街谷内中间位置；

所述上游建筑(1)、中间建筑(2)和下游建筑(3)的高度、宽度和长度可调节，用于模拟不同高宽比的街谷；

所述街谷的宽度可变化，用于模拟不同宽度的街谷内流场显示和污染物扩散特征；

所述的风洞机构通过2个以上的变频风机产生城市地面风速廓线，呈现指数形式或者对数形式，同时街谷模型也能够调整在简易隧道结构的放置角度，用于模拟不同风向和风速大小情况下，街谷内流场显示和典型污染物的扩散分布特征；

所述的火源(8)通过多孔气体燃烧器产生稳定火源，采用质量流量计控制火灾规模；

所述的上游建筑(1)、中间建筑(2)和下游建筑(3)的顶部形状可变，分别为：方顶型、三角形和圆顶形，能够用于研究不同建筑顶部形状组成街谷内的烟气蔓延和扩散特征；

在实验模型尺度方面，按照量纲相似理论设计，首次建立了一套研究城市连续峡谷街道内流场及污染物扩散研究实验装置，风洞结构内风速调节装置、烟气流场示踪机构、街谷底板加热机构和多参数测量机构操作便捷，实验装置具有完备的配套烟羽流示踪和特征参数测量系统；

在街谷内烟气流动和污染物扩散模拟实验方面，该实验装置能够利用烟饼产生的烟颗粒对街谷内火灾烟羽流进行示踪，对街谷内火灾产生烟羽流不会产生干扰，对人体也没有伤害；并用偏光激光源对火灾烟羽流和烟饼产生的烟颗粒进行照射，能够清楚和真实的模拟连续街谷内烟羽流蔓延和扩散过程，实时记录火灾烟羽流流动扩散过程中各个相关参数演化特征；

该实验装置的多参数测量机构能够采集烟气扩散特性、温度分布和一氧化碳浓度数据，能够获取不同环境风情况下街谷内烟气流动和污染物扩散采集数据，实现不同采集需求，同时能够根据实验目的，调整街谷形状，宽高比以及街谷的宽度来获得所需的实验数据，实现功能的多样化；

在街谷模拟火源设置方面，采用气体燃料，设置了质量流量及压力表，能够连续调节气体燃料流量，增加了对街谷内火灾燃烧过程的控制，在试验结束或出现火势失控意外情况下能够及时的关停火源，避免事故的发生；

在实验环境模拟方面，该实验装置设计了一个街谷底板加热机构，在底板中等间距布置碳硅加热棒，根据不同实验需要，加热街谷底板，用于模拟不同太阳辐照加热街谷地面的场景。