CN106017850B - 一种户外风致雪飘移的试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种户外风致雪飘移试验装置，包括：风机装置，用于提供风力；稳流装置，用于使风速更加平稳；导流装置，为所述风机装置和所述稳流装置之间的连接管道；振动装置，设于所述稳流装置的风向处，用于模拟降雪环境；模型装置，设于所述积雪的飘移范围内，用于模拟房屋结构。本发明的有益效果在于，所述的户外风致雪飘移试验装置，省去了空气制冷环节，试验运行成本低，可进行多次重复性试验且风机矩阵组为敞开式，因降低了风洞中阻塞率的限制，使所述模型构件缩尺比上限变大。

Description

一种户外风致雪飘移的试验装置
技术领域
本发明涉及风洞试验设备，具体涉及一种户外风致雪飘移的试验装置。
背景技术
随着社会的日益进步，大型建筑屋盖结构的跨度越来越大，屋面形式越来越复杂，对雪荷载的作用也越来越敏感，由于忽视雪荷载不均匀分布而造成的工程事故时有发生，因此，对雪荷载预测已经渐渐成为大跨度屋面设计中不可忽视的问题，而国内规范对雪荷载不均匀分布的规定多数参考欧美规范，缺乏实测以及实验数据支持，这也给建筑设计带来了一些安全隐患。
目前雪荷载研究有三种方法，分别是雪荷载实测、风洞试验和数值模拟。雪荷载实测由于受气候和测量条件的限制，工作进展缓慢，基础数据十分匮乏；数值模拟虽然耗资少，设计周期短，但是缺乏实测以及实验数据的支持，并且缺乏一个统一的标准。
而风洞试验是中外学者研究雪荷载的主要手段，然而应用传统的风洞试验技术研究雪荷载存在一些显著地缺点：一是在普通常温风洞中做风致雪飘移实验只能用积雪(细硅砂、小苏打等)来代替雪颗粒，而积雪与真实雪颗粒在物理性质上有很大差别；二是气候环境风洞造价昂贵，再创造低温环境时需要大量的电力支持，运行成本过高；三是无论是在常温或气候风洞进行试验，实验模型的尺寸都会受到阻塞率的很大限制；四是实验测量现阶段基本采用钢尺测点绘图，精确度与技术性较差。这些问题对风致雪飘移实验的结果都会产生很大的影响。因此为了提高我国对屋面雪荷载的认识与研究水平，并可为实际工程的雪荷载取值与我国荷载规范的修订提供依据，开发一种全新的雪荷载试验装置势在必行。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用的技术方案在于，提供一种户外风致雪飘移试验装置，包括：一风机装置，用于提供风力；一振动装置，用于对积雪振动并同时接收所述风机装置提供的风力来模拟降雪环境；一模型装置，设于所述积雪的飘移范围内，用于模拟房屋结构，所述模型装置能够在0-360°范围内旋转。
进一步，所述风机装置包括风机矩阵组、第一电机和第一变频控制器，所述第一电机和第一变频控制器分别与所述风机矩阵组相连。
进一步，所述振动装置包括振动器、第二电机和第二变频控制器，所述第二电机和第二变频控制器分别与所述振动器相连。
进一步，所述振动器包括支架和筛网，所述支架与所述筛网之间活动连接。
进一步，所述筛网包括第一筛网和第二筛网，所述第一筛网和第二筛网的孔径大小为2-4mm。
进一步，所述模型装置包括平台、刻度盘和模型构件，所述平台、刻度盘和模型构件依次层叠设置。
进一步，所述的户外风致雪飘移试验装置，还包括导流装置和稳流装置，所述导流装置为所述风机装置和所述稳流装置之间的连接管道，所述振动装置设于所述稳流装置风向处。
进一步，所述稳流装置包括蜂窝器和阻尼网，所述阻尼网嵌固在所述蜂窝器的外边框中。
进一步，所述蜂窝器为d*d的正方形蜂窝孔形式，d的取值范围为20-40mm,且所述蜂窝器的长度与所述蜂窝孔的孔径比为10-15:1。
进一步，所述风机装置、导流装置、稳流装置、振动装置底部分别通过紧固件与稳固部相连。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1.本发明的户外风致雪飘移试验装置，省去了空气制冷环节，试验运行成本低，可进行多次重复性试验且风机矩阵组为敞开式，因降低了风洞中阻塞率的限制，使所述模型构件缩尺比上限变大；
2.本发明的风机矩阵组的各部分之间采用紧固件连接，方便拆卸移动，且造价低，施工速度快；
3.设置两层筛网以及选择筛网的孔径大小为2-4mm，能够更好的模拟降雪的真实环境，大大增加了试验结果的可信度。
附图说明
图1为本发明一种户外风致雪飘移试验装置的功能结构框图；
图2为本发明一种户外风致雪飘移试验装置的结构示意图；
图3为本发明一种户外风致雪飘移试验装置的平面示意图；
图4为本发明风机装置的结构示意图；
图5为本发明导流装置的结构示意图；
图6为本发明蜂窝器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
如图1所示，其为本发明一种户外风致雪飘移试验装置的功能结构框图，一种户外风致雪飘移试验装置，包括：一风机装置1，用于提供风力；一振动装置2，用于对积雪振动并同时接收所述风机装置1提供的风力来模拟降雪环境；一模型装置3，设于所述积雪的飘移范围内，用于模拟房屋结构。
如图2、图3和图4所示，其分别为本发明一种户外风致雪飘移试验装置的结构示意图、平面示意图和风机装置的结构示意图。
结合图2、图3和图4所示，所述风机装置1包括一风机矩阵组11，所述风机矩阵组11为安装于支撑框架110上的m×n台风机111通过紧固件连接组成的m(纵向)×n(横向)形式的风机矩阵组，m和n取整数。
在地面上铺设有稳固部6，所述稳固部6与所述支撑框架110底部通过紧固件连接，所述支撑框架110起到支撑的作用，这样，能够使所述风机矩阵组11固定更加牢固，避免因风力过大而使其发生倾倒，其中，所述的稳固部6优选混凝土制成的条形基础，上述所述的紧固件为螺丝、螺钉或螺栓。本发明的风机矩阵组11的各部分之间采用紧固件连接，方便拆卸移动，且造价低，施工速度快。
所述风机装置1还包括第一电机和第一变频控制器，所述第一电机和所述第一变频控制器分别与所述风机矩阵组11相连。所述第一电机设于所述风机矩阵组11上，所述第一电机为所述风机矩阵组11提供转动动力；所述第一变频控制器设于室内，通过远程调控整个所述风机矩阵组11的输出风速，用于模拟在不同风速环境下所述积雪的漂移情况。
结合图2和图3所示，所述振动装置2设于所述风机装置1的风向处，所述振动装置2包括振动器21，所述振动器21包括支架211和筛网212，所述筛网212与所述支架211之间活动连接，所述活动连接方式为卡槽、卡齿、滑槽或滑轨，在所述筛网212破损的情况下，方便更换所述筛网212。
本实施例中，优选所述筛网212为两层筛网，分别为第一筛网2121和第二筛网2122，所述第一筛网2121和第二筛网2122的孔径大小为2-4mm，当所述积雪经所述一筛网2121振动后，还会残留许多大的颗粒，在经过所述第二筛网2122时，能够有效的改善颗粒的大小，本发明中设置两层筛网以及选择筛网的孔径大小为2-4mm，能够更好的模拟降雪的真实环境。
所述振动装置2还包括第二电机22和第二变频控制器，所述第二电机22和第二变频控制器分别与所述振动器21相连。所述第二电机22设于所述振动器21上，所述第二电机22为所述振动器21提供振动动力；所述第二变频控制器设于室内，所述第二变频控制器通过远程调控所述振动器21的振动频率，振动频率调节范围为2-10hz。
为确保所述振动装置2固定更加牢固，将所述支架211底部通过紧固件与所述稳固部6相连，这样，能够确保所述振动装置2在振动的情况下也能达到平稳状态，所述的紧固件为螺丝、螺钉或螺栓。
结合图2和图3所示，所述模型装置3，包括一平台31、一刻度盘32和一模型构件33。所述平台31、刻度盘32和模型构件33依次层叠设置，具体为，所述刻度盘32置于所述平台31上，所述模型构件33置于所述刻度盘32上，且所述模型构件33能够在0-360°内旋转，通过调整所述模型构件33至所述刻度盘32的某一指定角度，能够实现调节风偏角的目的。其中，所述的模型构件33需根据不同的实验目的制作不同材质和形状的模型，模型需满足相似比要求，材料相似性，几何相似性。
本发明的户外风致雪飘移试验装置，省去了空气制冷环节，试验运行成本低，可进行多次重复性试验；风机矩阵组为敞开式，因降低了风洞中阻塞率的限制，使所述模型构件缩尺比上限变大；此外，本发明利用振动装置模拟真实降雪过程，大大增加了试验结果的可信度。
实施例二
如上所述的一种户外风致雪飘移试验装置，本实施例与其不同之处在于，结合图2和图3所示，所述的户外风致雪飘移试验装置还包括一导流装置4和一稳流装置5，所述导流装置4为所述风机装置1和所述稳流装置5之间的连接管道，所述振动装置2设于所述稳流装置5风向处的一定距离处，所述导流装置4用于使风场更加集中，所述稳流装置5用于使风速更加平稳。本发明通过设置所述导流装置4和所述稳流装置5，能够使试验横断面上的风场效果更好。
结合图2和图3所示，所述风机装置1与所述导流装置4通过紧固件相连，所述导流装置4与所述稳流装置5通过紧固件相连，且在所述风机装置1和所述导流装置4的空隙处和所述导流装置4与所述稳流装置5的空隙处用发泡剂进行填充，这样，整个装置的连接处是不可漏风的，能够得到更好的风场。此外，为了稳固所述导流装置4和所述稳流装置5，将所述导流装置4和所述稳流装置5的底部通过紧固件与所述稳固部6相连，上述所述的紧固件为螺丝、螺钉或螺栓。
如图5所示，其为本发明导流装置的结构示意图，结合图2、图3和图5，所述导流装置4采用导流管矩阵组，所述导流管矩阵组为m×n个导流管连接组成的m(纵向)×n(横向)形式的导流管矩阵组，m和n取整数，其中，所述的导流管的形状与所述风机111出口的形状相对应，这样，能够使风场效果更好，一般所述风机111出口采用圆形，所述导流管也采用圆拓方管。
如图6所示，其为本发明蜂窝器的结构示意图，结合图2、图3和图6所示，所述稳流装置5包括一蜂窝器51和一阻尼网52，所述阻尼网52嵌固在所述蜂窝器51的外边框中，所述蜂窝器51用于实现风速均匀、平稳的通过，所述阻尼网52用于减小风场的湍流度。
如图6所示，所述的蜂窝器51采用壁厚≤1mm的方钢管焊接制成，每四根所述方钢管中心处通过点焊固定。所述蜂窝器51优选为d*d的正方形蜂窝孔形式，d的取值范围为20-40mm,且所述蜂窝器的长度与所述蜂窝孔的孔径比为10-15:1，在此范围内，能够使风速的平稳度和湍流度达到最佳。
实施例三
上述所述的一种户外风致雪飘移试验装置的试验方法，包括以下步骤：
(1)按照实验要求，将所需的模型构件33以0°度α置于平台31上，并将所述角度α记录备案；
(2)在试验段顺风向两侧分别设置至少一台气象站监测自然风场，在远离所述试验段的开阔场地设置至少一台气象站监测自然风场，并将积雪置于振动装置中；
本发明试验在室外进行，利用冬季的低温环境实现真实积雪的实验模拟，与传统环境风洞相比，省去了空气制冷环节，试验运行成本低，可进行多次重复性试验；此外，试验段为敞开式，因此不存在风洞中阻塞率的限制，使得所述模型构件缩尺比上限变大；
(3)按照实验要求，选择筛网的孔径为2mm、设置风机的风速为2.5m/s和所述振动装置的振动频率为2hz，开启所述风机装置和所述振动装置，模拟降雪环境，同时记录持续时间、风速、所述筛网的尺寸和振动频率；
本发明采用的风机矩阵组设备建造简单，方便拆卸，造价低，此外，本发明利用所述振动装置和积雪模拟真实降雪过程，大大增加了试验结果的可信度；
(4)试验结束后，利用测量工具，按照网格测量法和特征点测量法结合进行积雪分布测量，并将测量数据记录备案；
若测量所述模型构件33周边的积雪分布，测量范围的宽度为所述风机装置的水平宽度，长度为所述模型构件33顺风向投影长度的3倍；若测量所述模型构件33上的积雪分布实验，测量范围为整个所述模型构件表面；且测量时，所述宽度与长度方向均是每隔5cm取一个测量点；
(5)整理记录的数据以及所述测量数据，并采用自主开发程序进行数据分析处理，绘制积雪分布等值线图。
实施例四
上述所述的一种户外风致雪飘移试验装置的试验方法，本实施例与其不同之处在于，包括以下步骤：
(1)按照实验要求，将所需的模型构件33以90°度α置于平台31上，并将所述角度α记录备案；
(2)在试验段顺风向两侧分别设置至少一台气象站监测自然风场，在远离所述试验段的开阔场地设置至少一台气象站监测自然风场，并将积雪置于振动装置中；
(3)按照实验要求，选择筛网的孔径为3mm、设置风机的风速为3.5m/s和所述振动装置的振动频率为5hz，开启所述风机装置和所述振动装置，模拟降雪环境，同时记录持续时间、风速、所述筛网的尺寸和振动频率；
(4)试验结束后，利用测量工具，按照网格测量法和特征点测量法结合进行积雪分布测量，并将测量数据记录备案；
若测量所述模型构件33周边的积雪分布，测量范围的宽度为所述风机装置的水平宽度，长度为所述模型构件33顺风向投影长度的4倍；若测量所述模型构件33上的积雪分布实验，测量范围为整个所述模型构件表面；且测量时，所述宽度与长度方向均是每隔7cm取一个测量点；
(5)整理记录的数据以及所述测量数据，并采用自主开发程序进行数据分析处理，绘制积雪分布等值线图。
实施例五
上述所述的一种户外风致雪飘移试验装置的试验方法，本实施例与其不同之处在于，包括以下步骤：
(1)按照实验要求，将所需的模型构件33以260°度α置于平台31上，并将所述角度α记录备案；
(2)在试验段顺风向两侧分别设置至少一台气象站监测自然风场，在远离所述试验段的开阔场地设置至少一台气象站监测自然风场，并将积雪置于振动装置中；
(3)按照实验要求，选择筛网的孔径为3.5mm、设置风机的风速为4m/s和所述振动装置的振动频率为7hz，开启所述风机装置和所述振动装置，模拟降雪环境，同时记录持续时间、风速、所述筛网的尺寸和振动频率；
(4)试验结束后，利用测量工具，按照网格测量法和特征点测量法结合进行积雪分布测量，并将测量数据记录备案；
若测量所述模型构件33周边的积雪分布，测量范围的宽度为所述风机装置的水平宽度，长度为所述模型构件33顺风向投影长度的5倍；若测量所述模型构件33上的积雪分布实验，测量范围为整个所述模型构件表面；且测量时，所述宽度与长度方向均是每隔8cm取一个测量点；
(5)整理记录的数据以及所述测量数据，并采用自主开发程序进行数据分析处理，绘制积雪分布等值线图。
实施例六
上述所述的一种户外风致雪飘移试验装置的试验方法，本实施例与其不同之处在于，包括以下步骤：
(1)按照实验要求，将所需的模型构件33以360°角度α置于平台31上，并将所述角度α记录备案；
(2)在试验段顺风向两侧分别设置至少一台气象站监测自然风场，在远离所述试验段的开阔场地设置至少一台气象站监测自然风场，并将积雪置于振动装置中；
(3)按照实验要求，选择筛网的孔径为4mm、设置风机的风速为4.5m/s和所述振动装置的振动频率为10hz，开启所述风机装置和所述振动装置，模拟降雪环境，同时记录持续时间、风速、所述筛网的尺寸和振动频率；
(4)试验结束后，利用测量工具，按照网格测量法和特征点测量法结合进行积雪分布测量，并将测量数据记录备案；
若测量所述模型构件33周边的积雪分布，测量范围的宽度为所述风机装置的水平宽度，长度为所述模型构件33顺风向投影长度的6倍；若测量所述模型构件33上的积雪分布实验，测量范围为整个所述模型构件表面；且测量时，所述宽度与长度方向均是每隔10cm取一个测量点；
(5)整理记录的数据以及所述测量数据，并采用自主开发程序进行数据分析处理，绘制积雪分布等值线图。
实施例七
如上所述的户外风致雪飘移试验方法，本实施例与其不同之处在于，所述步骤(2)中，各所述气象站与远程监控终端无线相连，其能够实时监测所述自然风场，并绘制自然风玫瑰图。
实施例八
如上所述的户外风致雪飘移试验方法，本实施例与其不同之处在于，所述步骤(4)中，所述测量工具为全站仪和标准钢尺。
本发明的户外风致雪飘移试验方法，通过对积雪分布等值线图进行分析，揭示风对积雪分布的作用机理，并能够根据大跨度屋盖结构模型的屋面积雪分布规律，对实际结构屋面积雪分布进行预测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，包括：
一风机装置，用于提供风力,所述风机装置敞开设置；
一振动装置，用于对积雪振动并同时接收所述风机装置提供的风力来模拟降雪环境；
一模型装置，设于所述积雪的飘移范围内，用于模拟房屋结构，所述模型装置能够在0-360°范围内旋转。
2.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，所述风机装置包括风机矩阵组、第一电机和第一变频控制器，所述第一电机和第一变频控制器分别与所述风机矩阵组相连。
3.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，所述振动装置包括振动器、第二电机和第二变频控制器，所述第二电机和第二变频控制器分别与所述振动器相连。
4.根据权利要求3所述的户外风致雪飘的移试验装置，其特征在于，所述振动器包括支架和筛网，所述支架与所述筛网之间活动连接。
5.根据权利要求4所述的户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，所述筛网包括第一筛网和第二筛网，所述第一筛网和第二筛网的孔径大小为2-4mm。
6.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，所述模型装置包括平台、刻度盘和模型构件，所述平台、刻度盘和模型构件依次层叠设置。
7.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，还包括导流装置和稳流装置，所述导流装置为所述风机装置和所述稳流装置之间的连接管道，所述振动装置设于所述稳流装置风向处。
8.根据权利要求7所述的户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，所述稳流装置包括蜂窝器和阻尼网，所述阻尼网嵌固在所述蜂窝器的外边框中。
9.根据权利要求8所述的户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，所述蜂窝器为d*d的正方形蜂窝孔形式，d的取值范围为20-40mm,且所述蜂窝器的长度与所述蜂窝孔的孔径比为10-15:1。
10.根据权利要求7-9任一所述的户外风致雪飘移的试验装置，其特征在于，所述风机装置、导流装置、稳流装置、振动装置底部分别通过紧固件与稳固部相连。
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