CN106053006B - 一种户外风致雪飘移的试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种户外风致雪飘移的试验方法，包括以下步骤：(1)放置所需模型构件至指定角度；(2)在试验段顺风向两侧分别设置至少一台气象站，在远离所述试验段的开阔场地设置至少一台气象站，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、设置风机的风速和振动装置的振动频率，开启风机装置和振动装置，模拟降雪环境；(4)试验结束后，利用测量工具进行积雪分布测量；(5)整理数据，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。本发明的有益效果在于，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；试验段为敞开式，不存在风洞中阻塞率的限制，使得模型构件缩尺比上限变大。

Description

一种户外风致雪飘移的试验方法
技术领域
本发明涉及风洞试验方法领域，具体涉及一种户外风致雪飘移的试验方法。
背景技术
随着全球范围内极端天气现象的逐渐增加，因积雪造成的屋盖结构坍塌事故也在逐渐增多。大跨度和轻型结构是对雪荷载敏感的结构体系，因此雪荷载的取值是其设计过程中的一个重要考虑因素，因此，对雪荷载设计方法有着十分迫切的应用需求。
现阶段，风洞试验是国内外学者进行雪荷载研究的主要实验技术手段。Kind等就风洞实验中再现积雪侵蚀、沉积现象所需满足的要求进行了深入探讨，并以跃移过程中颗粒运动状态的再现为重点，从运动相似、动力相似、几何相似和时间相似四个方面，给出了一套相似准则，规定了颗粒雷诺数所需满足的下限值，明确了积雪的选择方法；Delpech等提出了以最终漂移体积量相似为重点的相似准则，并在法国Jule Verne气候风洞中，对南极康科迪亚科考站周边积雪分布进行了风洞模拟，实验中通过控制实验段三杆造雪枪内水、空气的比例和出口压力来调节人造雪的干湿度和传输率。
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方法势在必行。
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，将所需的模型构件以指定角度α置于平台上，并将所述指定角度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、设置风机的风速和所述振动装置的振动频率，开启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；(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。
进一步，所述步骤(1)中，所述指定角度α能够在0-360°范围内调节。
进一步，所述步骤(2)中，各所述气象站与远程监控终端无线相连。
进一步，所述步骤(3)中，所述风机的风速在2.5-4.5m/s内可调，所述振动装置的振动频率在2-10hz内连续可调。
进一步，所述步骤(3)中，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，所述步骤(4)中，所述测量工具为全站仪和标准钢尺。
进一步，所述步骤(4)中，若测量所述模型构件周边的积雪分布，则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顺风向投影长度的3-6倍。
进一步，所述步骤(4)中，若测量所述模型构件上的积雪分布实验，则测量范围为整个所述模型构件表面。
进一步，测量时，所述宽度与长度方向均是每隔5-10cm取一个测量点。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1.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；2.所述筛网为两层筛网，且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 (9)

1.一种户外风致雪飘移的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照实验要求，将所需的模型构件以指定角度α置于平台上，并将所述指定角度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、设置风机的风速和所述振动装置的振动频率，开启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、所述筛网的孔径和振动频率；
(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；
(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。
2.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述指定角度α能够在0-360°范围内调节。
3.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验方法，其特征在于，所述步骤(2)中，各所述气象站与远程监控终端无线相连。
4.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述风机的风速在2.5-4.5m/s内可调，所述振动装置的振动频率在2-10hz内连续可调。
5.根据权利要求1-4任一所述的户外风致雪飘移的试验方法，其特征在于，所述步骤(3)中，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方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述测量工具为全站仪和标准钢尺。
7.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验方法，其特征在于，所述步骤(4)中，若测量所述模型构件周边的积雪分布，则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顺风向投影长度的3-6倍。
8.根据权利要求1所述的户外风致雪飘移的试验方法，其特征在于，所述步骤(4)中，若测量所述模型构件上的积雪分布实验，则测量范围为整个所述模型构件表面。
9.根据权利要求7所述的户外风致雪飘移的试验方法，其特征在于，测量时，所述宽度与长度方向均是每隔5-10cm取一个测量点。
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