CN112945511B - 一种风洞模拟及环境适应性试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风洞模拟及环境适应性试验系统及方法，系统包括粉尘供料单元、风洞模拟单元、环境适应性试验单元和环境参数监测单元，粉尘供料单元包括物料箱、压缩空气瓶、物料喷头和喷料调节器；风洞模拟单元包括第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块，以及收缩段、隔离板、蜂窝整流段、扩张段和旋风除尘器；环境适应性试验单元包括红外加热管、紫外线老化灯管、喷淋装置和振动装置；环境参数监测单元包括湿度传感器、温度传感器、粉尘浓度传感器、CCD相机和激光粉尘检测装置。本发明适用于多种扬尘环境的粉尘产生及运移分析，为复杂条件下的环境适应性研究提供装备基础及技术指引，效果显著，便于推广。
Description
技术领域
本发明属于环境污染治理技术领域，具体涉及一种风洞模拟及环境适应性试验系统及方法。
背景技术
随着能源、工业的高速发展，颗粒及粉尘污染问题日趋严重。未治理的沙土、路基材料、金属及非金属粉尘的扬尘和扩散，已成为职业病危害和环境污染的主要因素之一。现有治理手段主要包括基于高分子及表面活性剂材料的针对悬浮粉尘(浮尘)和地面落尘(落尘)的主动化学防治技术。然而，由于二者的产尘机理不同，降尘方式存在明显差异，因此所需设备及材料也存在明显区别。一般来说，针对浮尘的抑尘技术主要是研究如何更高效的让浮尘降下去。一般聚焦于纵向喷淋，通过降低抑尘剂表面张力，提高对浮尘颗粒的润湿能力，从而促进抑尘剂对浮尘颗粒的包覆和团聚作用，由小颗粒变为大颗粒，进而达到沉降。针对地面落尘的抑尘技术主要研究如何达到不起尘，一般通过在颗粒表面均匀喷洒，形成具有一定强度和厚度的表壳，通过提高尘粒间的黏结结构，增强内聚力，达到抑尘。
通常需要对抑尘剂的实际抑尘效果进行验证，然而，采用现场原位试验验证抑尘剂的实际抑尘效果存在诸多限制，包括诸多环境不可控变量，如风速、环境温度、湿度等，以及大规模的人为扰动等影响，重点研究参数的不显著或低水平，导致原位试验耗时耗力，效率低，不经济且试验结论缺乏重复性，不可靠。
现有技术中，风洞产品主要采用的是由收缩段，实验段和扩张段组成的一体化设计，其能完成的试验内容一般为单一的风蚀测试，即由收缩段的离心风机或者扩张段的旋风除尘器提供风流，在实验段放置试样，研究其在不同风速下的风蚀特性，且这类成熟产品售价昂贵。对于尘源分布的多样性，现有风洞产品不具有模拟不同类型粉尘产生方式的能力。同时，由于采用一体化设计，更换部件以及维护保养十分困难，且一套装置仅能模拟一种尘源及对应的抑尘剂性能评价，不能很好地应用在多种抑尘条件的高速风洞模拟和环境适应性评价以及抑尘剂的配方研发和性能评价中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种风洞模拟及环境适应性试验系统，其系统设计合理，功能完备，实现方便，能够适用于多种扬尘环境的粉尘产生及运移分析，通过参数控制、监测技术和过程调节的结合，以及整体设计的多功能和模块化，为复杂条件下的环境适应性研究提供装备基础及技术指引，进而有效解决道路、矿业及极端气候地区的粉尘污染问题，效果显著，便于推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种风洞模拟及环境适应性试验系统，包括粉尘供料单元、风洞模拟单元、环境适应性试验单元和环境参数监测单元，所述粉尘供料单元包括物料箱和压缩空气瓶，所述物料箱上连接有输料管，所述输料管远离物料箱的一端连接有物料喷头，所述输料管上设置有喷料调节器，所述压缩空气瓶经过气流控制阀与喷料调节器连接；所述风洞模拟单元包括依次连接的第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块，所述第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块的底板上均设置有物料槽，所述物料槽的上部设置有活动板，所述第一洞体模块和第四洞体模块的下部均设置有支撑调节机构，所述第一洞体模块的入口端随粉尘进入方向依次设置有收缩段、隔离板和蜂窝整流段，所述物料喷头位于第一洞体模块内，所述第三洞体模块内设置有试样固定机构，所述第四洞体模块的出口端连接有扩张段，所述扩张段连接有旋风除尘器；所述环境适应性试验单元包括红外加热管、紫外线老化灯管和喷淋装置，以及设置在第三洞体模块下部的振动装置；所述红外加热管设置在第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块的两侧内壁上，所述紫外线老化灯管设置在第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块的顶部；所述环境参数监测单元包括湿度传感器、温度传感器、粉尘浓度传感器和CCD相机，以及设置在扩张段的激光粉尘检测装置；所述湿度传感器和温度传感器设置在第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块的顶部，所述粉尘浓度传感器设置在第一洞体模块和第四洞体模块的顶部，所述CCD相机通过相机接入通道设置在第二洞体模块与第三洞体模块的连接处。
上述的一种风洞模拟及环境适应性试验系统，所述第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块均为中空的长方体形，且均包括钢制骨架和连接在钢制骨架上的高透石英玻璃视窗。
上述的一种风洞模拟及环境适应性试验系统，所述支撑调节机构包括支撑座和支撑杆，所述支撑杆的一端与支撑座连接，所述支撑杆的另一端与第一洞体模块或第四洞体模块的底板连接，所述支撑座的下部设置有万向轮和调节座，所述万向轮上设置有刹车杆，所述支撑杆上设置有水平调节器。
上述的一种风洞模拟及环境适应性试验系统，所述试样固定机构包括连接在第三洞体模块活动板上的支座和中空导轨，所述支座上转动连接有置样板，所述置样板上设置有试样固定块，所述中空导轨上设置有调节旋钮，所述调节旋钮通过连杆与置样板连接。
上述的一种风洞模拟及环境适应性试验系统，所述喷淋装置包括抑尘剂储存箱和喷淋头，所述抑尘剂储存箱和喷淋头之间连接有抑尘剂输送管，所述抑尘剂输送管上设置有调节阀，所述喷淋头上连接有喷头调节器，所述喷淋头设置在第三洞体模块的顶部，所述喷头调节器设置在第三洞体模块的外部。
上述的一种风洞模拟及环境适应性试验系统，所述激光粉尘检测装置包括纳米激光发射器、光纤耦合器、太赫兹光源、第一抛物面镜、第二抛物面镜、太赫兹探测器和光纤延迟器，所述纳米激光发射器通过光纤与光纤耦合器连接，所述光纤耦合器与太赫兹光源连接，所述太赫兹光源发出太赫兹光，经第一抛物面镜反射为平行光，所述第二抛物面镜接收平行光，所述太赫兹探测器探测第二抛物面镜接收的太赫兹光，所述太赫兹探测器通过光纤延迟器与光纤耦合器连接。
本发明还公开了一种风洞模拟及环境适应性试验方法，采用上述的系统，所述方法包括道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能试验方法、易风蚀堆体的抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性试验方法和受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验方法。
上述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，所述道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能试验方法的具体步骤包括：
步骤A1、选取路基材料和抑尘剂材料；
步骤A2、移动打开第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块内的活动板，漏出用于放置路基材料的物料槽；
步骤A3、通过喷头调节器设定喷淋头种类；
步骤A4、将路基材料均匀布置于物料槽中，并进行表面整平；
步骤A5、将抑尘剂材料按照规定浓度和混合比配置后置于抑尘剂储存箱中；
步骤A6、打开喷淋装置，通过调节阀控制喷淋头出口压力和流量，实现抑尘剂在路基材料表面的均匀喷洒；
步骤A7、开启旋风除尘器；
步骤A8、在风洞模拟单元中放入遥控的模拟矿车，且对模拟矿车按照原位试验缩小比进行载荷添加；
步骤A9、遥控模拟矿车以预定速度往复经过第三洞体模块；
步骤A10、通过环境参数监测单元全程记录扬尘中粉尘浓度和粒径，实现对道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能的试验。
上述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，所述易风蚀堆体的抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性试验方法的具体步骤包括：
步骤B1、选取模拟堆体的颗粒材料和用于表面喷洒的抑尘剂材料；
步骤B2、关闭第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块内的活动板；
步骤B3、通过喷头调节器设定喷淋头种类；
步骤B4、将颗粒材料通过模具配置完成后，通过试样固定块将颗粒材料固定在置样板上，通过调节旋钮调节置样板的迎风角度；
步骤B5、开启旋风除尘器；
步骤B6、对颗粒材料进行单一风蚀试验；
步骤B601、在颗粒材料表面制作人工散斑；
步骤B602、采用CCD相机每隔一分钟采集颗粒材料表面的散斑图；
步骤B603、采用二值法量化不同阶段表壳裂纹发育规律；
步骤B604、采用VIC 3D软件处理散斑位移和应变；
步骤B605、采用断裂力学理论，计算应力强度因子，表征表壳破坏规律；
步骤B606、采用本构方程，构建表壳宏观应力分布及变化；
步骤B607、在步骤B601～步骤B606过程中，所述粉尘浓度传感器和激光粉尘检测装置测量并记录风蚀状态下第四洞体模块内粉尘浓度及粒径分布；
步骤B7、对颗粒材料进行多环境因素影响下的抑尘剂环境适应性试验；
步骤B701、对多环境因素进行正交试验设计，所述正交试验设计包括开启红外加热管、紫外线老化灯管、喷淋装置和振动装置中的一个或多个；
步骤B702、根据正交试验设计组合安排试验；
步骤B703、采集不同环境因素下粉尘浓度、粉尘损失量及表壳破坏时间；
步骤B704、采用统计学方法，对抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性进行量态分析。
上述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，所述受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验方法的具体步骤包括：
步骤C1、选取粉尘材料和用于轴向喷淋的抑尘剂材料；
步骤C2、关闭第一洞体模块、第二洞体模块、第三洞体模块和第四洞体模块内的活动板；
步骤C3、将粉尘材料装入物料箱中，将抑尘剂材料按照规定浓度和混合比配置后置于抑尘剂储存箱中；
步骤C4、开启旋风除尘器；
步骤C5、通过喷料调节器调节粉尘材料以规定流量和速度，经输料管和物料喷头喷入风洞模拟单元中；
步骤C6、通过环境参数监测单元实时监测粉尘材料的扩散及运移规律；
步骤C7、通过喷头调节器设定喷淋头种类，开启喷淋装置，对第三洞体模块内悬浮粉尘进行喷淋降尘；
步骤C8、实时记录经喷淋前后的悬浮粉尘浓度及粒径的变化，实现受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明系统设计合理，功能完备，实现方便。
2、本发明设计风洞模拟单元和环境适应性试验单元，进行抑尘机理及老化机理研究，进而实现抑尘剂配方优化以及环境适应性分析，能够大幅降低人工、材料及时间消耗；能够有效控制试验变量，减少或消除人工及环境扰动影响，使结论更精确，试验可重复性高。
3、本发明的环境适应性试验单元设计红外加热管、紫外线老化灯管、喷淋装置和振动装置，通过正交试验设计，能够进行多环境因素影响下的抑尘剂环境适应性试验，有助于复杂多因素粉尘防控体系的建立和高效新型抑尘剂的研发。
4、本发明的环境参数监测单元设计CCD相机，能够实现基于三维模型成像和数字图像处理技术的风蚀宏观-微观特性参数测量。
5、本发明能够适用于多种扬尘环境的粉尘产生及运移分析，通过参数控制、监测技术和过程调节的结合，以及整体设计的多功能和模块化，为复杂条件下的环境适应性研究提供装备基础及技术指引，进而有效解决道路、矿业及极端气候地区的粉尘污染问题，效果显著，便于推广。
综上所述，本发明系统设计合理，功能完备，实现方便，能够适用于多种扬尘环境的粉尘产生及运移分析，通过参数控制、监测技术和过程调节的结合，以及整体设计的多功能和模块化，为复杂条件下的环境适应性研究提供装备基础及技术指引，进而有效解决道路、矿业及极端气候地区的粉尘污染问题，效果显著，便于推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明支撑调节机构的结构示意图；
图3为本发明试样固定机构的结构示意图；
图4为本发明喷淋装置的结构示意图；
图5为本发明激光粉尘检测装置的结构示意图。
附图标记说明:
1—物料箱； 2—压缩空气瓶； 3—输料管；
4—物料喷头； 5—喷料调节器； 6—气流控制阀；
11—第一洞体模块； 12—第二洞体模块； 13—第三洞体模块；
14—第四洞体模块； 15—物料槽； 16—活动板；
17—支撑调节机构； 17-1—支撑座； 17-2—支撑杆；
17-3—万向轮； 17-4—调节座； 17-5—刹车杆；
17-6—水平调节器； 18—收缩段； 19—隔离板；
20—蜂窝整流段； 21—试样固定机构； 21-1—支座；
21-2—中空导轨； 21-3—置样板； 21-4—试样固定块；
21-5—调节旋钮； 21-6—连杆； 22—扩张段；
23—旋风除尘器； 41—红外加热管； 42—紫外线老化灯管；
43—喷淋装置； 43-1—抑尘剂储存箱； 43-2—喷淋头；
43-3—抑尘剂输送管； 43-4—调节阀； 43-5—喷头调节器；
44—振动装置； 51—湿度传感器； 52—温度传感器；
53—粉尘浓度传感器； 54—CCD相机； 55—激光粉尘检测装置；
55-1—纳米激光发射器； 55-2—光纤耦合器； 55-3—太赫兹光源；
55-4—第一抛物面镜； 55-5—第二抛物面镜； 55-6—太赫兹探测器；
55-7—光纤延迟器； 56—相机接入通道。
具体实施方式
如图1所示，本发明的风洞模拟及环境适应性试验系统，包括粉尘供料单元、风洞模拟单元、环境适应性试验单元和环境参数监测单元；所述粉尘供料单元包括物料箱1和压缩空气瓶2，所述物料箱1上连接有输料管3，所述输料管3远离物料箱1的一端连接有物料喷头4，所述输料管3上设置有喷料调节器5，所述压缩空气瓶2经过气流控制阀6与喷料调节器5连接；所述风洞模拟单元包括依次连接的第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14，所述第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14的底板上均设置有物料槽15，所述物料槽15的上部设置有活动板16，所述第一洞体模块11和第四洞体模块14的下部均设置有支撑调节机构17，所述第一洞体模块11的入口端随粉尘进入方向依次设置有收缩段18、隔离板19和蜂窝整流段20，所述物料喷头4位于第一洞体模块11内，所述第三洞体模块13内设置有试样固定机构21，所述第四洞体模块14的出口端连接有扩张段22，所述扩张段22连接有旋风除尘器23；所述环境适应性试验单元包括红外加热管41、紫外线老化灯管42和喷淋装置43，以及设置在第三洞体模块13下部的振动装置44；所述红外加热管41设置在第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14的两侧内壁上，所述紫外线老化灯管42设置在第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14的顶部；所述环境参数监测单元包括湿度传感器51、温度传感器52、粉尘浓度传感器53和CCD相机54，以及设置在扩张段22的激光粉尘检测装置55；所述湿度传感器51和温度传感器52设置在第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14的顶部，所述粉尘浓度传感器53设置在第一洞体模块11和第四洞体模块14的顶部，所述CCD相机54通过相机接入通道56设置在第二洞体模块12与第三洞体模块13的连接处。
具体实施时，粉尘供料单元布置在风洞模拟单元的入口处，粉尘供料单元中物料喷头4伸入风洞模拟单元的第一洞体模块11中，压缩空气瓶2用于提供粉尘喷出所需压力，喷料调节器5用于调节粉尘喷射体积和时长。
具体实施时，湿度传感器51和温度传感器52用于实时风洞模拟单元内的湿度和温度，为高温高湿环境适应性试验提供实时参数；粉尘浓度传感器53用于测量喷淋降尘前后的粉尘浓度及粒径参数的变化；CCD相机54用于采集堆体表面的散斑图像，实现基于三维模型成像和数字图像处理技术的风蚀宏观-微观特性参数测量。
本实施例中，所述第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14均为中空的长方体形，且均包括钢制骨架和连接在钢制骨架上的高透石英玻璃视窗。
具体实施时，长方体形第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14的尺寸均为60cm*60cm*100cm，相邻的两个洞体模块通过法兰连接。
本实施例中，如图2所示，所述支撑调节机构17包括支撑座17-1和支撑杆17-2，所述支撑杆17-2的一端与支撑座17-1连接，所述支撑杆17-2的另一端与第一洞体模块11或第四洞体模块14的底板连接，所述支撑座17-1的下部设置有万向轮17-3和调节座17-4，所述万向轮17-3上设置有刹车杆17-5，所述支撑杆17-2上设置有水平调节器17-6。
具体实施时，第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14连接在一起后，通过支撑调节机构17进行移动、支撑和调节。
本实施例中，如图3所示，所述试样固定机构21包括连接在第三洞体模块13活动板16上的支座21-1和中空导轨21-2，所述支座21-1上转动连接有置样板21-3，所述置样板21-3上设置有试样固定块21-4，所述中空导轨21-2上设置有调节旋钮21-5，所述调节旋钮21-5通过连杆21-6与置样板21-3连接。
具体实施时，试样固定机构21中的置样板21-3用于放置堆体材料，通过试样固定块21-4固定堆体材料，同时，能够通过调节旋钮21-5对置样板21-3的迎风角度进行调节，具体的，松动调节旋钮21-5，使调节旋钮21-5在中空导轨21-2中移动，带动连杆21-6转动，进而带动置样板21-3绕支座21-1转动，实现置样板21-3的迎风角度调节，调整好角度后拧紧调节旋钮21-5。
本实施例中，如图4所示，所述喷淋装置43包括抑尘剂储存箱43-1和喷淋头43-2，所述抑尘剂储存箱43-1和喷淋头43-2之间连接有抑尘剂输送管43-3，所述抑尘剂输送管43-3上设置有调节阀43-4，所述喷淋头43-2上连接有喷头调节器43-5，所述喷淋头43-2设置在第三洞体模块13的顶部，所述喷头调节器43-5设置在第三洞体模块13的外部。
具体实施时，喷头调节器43-5设置在第三洞体模块13的外部，用于更换喷淋头43-2的种类。
本实施例中，如图5所示，所述激光粉尘检测装置55包括纳米激光发射器55-1、光纤耦合器55-2、太赫兹光源55-3、第一抛物面镜55-4、第二抛物面镜55-5、太赫兹探测器55-6和光纤延迟器55-7，所述纳米激光发射器55-1通过光纤与光纤耦合器55-2连接，所述光纤耦合器55-2与太赫兹光源55-3连接，所述太赫兹光源55-3发出太赫兹光，经第一抛物面镜55-4反射为平行光，所述第二抛物面镜55-5接收平行光，所述太赫兹探测器55-6探测第二抛物面镜55-5接收的太赫兹光，所述太赫兹探测器55-6通过光纤延迟器55-7与光纤耦合器55-2连接。
本发明的风洞模拟及环境适应性试验方法，包括道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能试验方法、易风蚀堆体的抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性试验方法和受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验方法。
道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能试验方法的具体步骤包括：
步骤A1、选取路基材料和抑尘剂材料；
步骤A2、移动打开第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14内的活动板16，漏出用于放置路基材料的物料槽15；
步骤A3、通过喷头调节器43-5设定喷淋头43-2种类；
步骤A4、将路基材料均匀布置于物料槽15中，并进行表面整平；
步骤A5、将抑尘剂材料按照规定浓度和混合比配置后置于抑尘剂储存箱43-1中；
步骤A6、打开喷淋装置43，通过调节阀43-4控制喷淋头43-2出口压力和流量，实现抑尘剂在路基材料表面的均匀喷洒；
步骤A7、开启旋风除尘器23；
步骤A8、在风洞模拟单元中放入遥控的模拟矿车，且对模拟矿车按照原位试验缩小比进行载荷添加；
步骤A9、遥控模拟矿车以预定速度往复经过第三洞体模块13；
步骤A10、通过环境参数监测单元全程记录扬尘中粉尘浓度和粒径，实现对道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能的试验。
易风蚀堆体的抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性试验方法的具体步骤包括：
步骤B1、选取模拟堆体的颗粒材料和用于表面喷洒的抑尘剂材料；
步骤B2、关闭第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14内的活动板16；
步骤B3、通过喷头调节器43-5设定喷淋头43-2种类；
步骤B4、将颗粒材料通过模具配置完成后，通过试样固定块21-4将颗粒材料固定在置样板21-3上，通过调节旋钮21-5调节置样板21-3的迎风角度；
步骤B5、开启旋风除尘器23；
步骤B6、对颗粒材料进行单一风蚀试验；
步骤B601、在颗粒材料表面制作人工散斑；
步骤B602、采用CCD相机54每隔一分钟采集颗粒材料表面的散斑图；
步骤B603、采用二值法量化不同阶段表壳裂纹发育规律；
步骤B604、采用VIC 3D软件处理散斑位移和应变；
步骤B605、采用断裂力学理论，计算应力强度因子，表征表壳破坏规律；
步骤B606、采用本构方程，构建表壳宏观应力分布及变化；
步骤B607、在步骤B601～步骤B606过程中，所述粉尘浓度传感器53和激光粉尘检测装置55测量并记录风蚀状态下第四洞体模块14内粉尘浓度及粒径分布；
步骤B7、对颗粒材料进行多环境因素影响下的抑尘剂环境适应性试验；
步骤B701、对多环境因素进行正交试验设计，所述正交试验设计包括开启红外加热管41、紫外线老化灯管42、喷淋装置43和振动装置44中的一个或多个；
步骤B702、根据正交试验设计组合安排试验；
步骤B703、采集不同环境因素下粉尘浓度、粉尘损失量及表壳破坏时间；
步骤B704、采用统计学方法，对抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性进行量态分析。
受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验方法的具体步骤包括：
步骤C1、选取粉尘材料和用于轴向喷淋的抑尘剂材料；
步骤C2、关闭第一洞体模块11、第二洞体模块12、第三洞体模块13和第四洞体模块14内的活动板16；
步骤C3、将粉尘材料装入物料箱1中，将抑尘剂材料按照规定浓度和混合比配置后置于抑尘剂储存箱43-1中；
步骤C4、开启旋风除尘器23；
步骤C5、通过喷料调节器5调节粉尘材料以规定流量和速度，经输料管3和物料喷头4喷入风洞模拟单元中；
步骤C6、通过环境参数监测单元实时监测粉尘材料的扩散及运移规律；
步骤C7、通过喷头调节器43-5设定喷淋头43-2种类，开启喷淋装置43，对第三洞体模块13内悬浮粉尘进行喷淋降尘；
步骤C8、实时记录经喷淋前后的悬浮粉尘浓度及粒径的变化，实现受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种风洞模拟及环境适应性试验方法，其采用的试验系统包括粉尘供料单元、风洞模拟单元、环境适应性试验单元和环境参数监测单元；
所述粉尘供料单元包括物料箱(1)和压缩空气瓶(2)，所述物料箱(1)上连接有输料管(3)，所述输料管(3)远离物料箱(1)的一端连接有物料喷头(4)，所述输料管(3)上设置有喷料调节器(5)，所述压缩空气瓶(2)经过气流控制阀(6)与喷料调节器(5)连接；
所述风洞模拟单元包括依次连接的第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)，所述第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)的底板上均设置有物料槽(15)，所述物料槽(15)的上部设置有活动板(16)，所述第一洞体模块(11)和第四洞体模块(14)的下部均设置有支撑调节机构(17)，所述第一洞体模块(11)的入口端随粉尘进入方向依次设置有收缩段(18)、隔离板(19)和蜂窝整流段(20)，所述物料喷头(4)位于第一洞体模块(11)内，所述第三洞体模块(13)内设置有试样固定机构(21)，所述第四洞体模块(14)的出口端连接有扩张段(22)，所述扩张段(22)连接有旋风除尘器(23)；
所述环境适应性试验单元包括红外加热管(41)、紫外线老化灯管(42)和喷淋装置(43)，以及设置在第三洞体模块(13)下部的振动装置(44)；所述红外加热管(41)设置在第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)的两侧内壁上，所述紫外线老化灯管(42)设置在第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)的顶部；
所述环境参数监测单元包括湿度传感器(51)、温度传感器(52)、粉尘浓度传感器(53)和CCD相机(54)，以及设置在扩张段(22)的激光粉尘检测装置(55)；所述湿度传感器(51)和温度传感器(52)设置在第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)的顶部，所述粉尘浓度传感器(53)设置在第一洞体模块(11)和第四洞体模块(14)的顶部，所述CCD相机(54)通过相机接入通道(56)设置在第二洞体模块(12)与第三洞体模块(13)的连接处；其特征在于：
所述试验方法包括道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能试验方法、易风蚀堆体的抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性试验方法和受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验方法；
所述易风蚀堆体的抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性试验方法的具体步骤包括：
步骤B1、选取模拟堆体的颗粒材料和用于表面喷洒的抑尘剂材料；
步骤B2、关闭第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)内的活动板(16)；
步骤B3、通过喷头调节器(43-5)设定喷淋头(43-2)种类；
步骤B4、将颗粒材料通过模具配置完成后，通过试样固定块(21-4)将颗粒材料固定在置样板(21-3)上，通过调节旋钮(21-5)调节置样板(21-3)的迎风角度；
步骤B5、开启旋风除尘器(23)；
步骤B6、对颗粒材料进行单一风蚀试验；
步骤B601、在颗粒材料表面制作人工散斑；
步骤B602、采用CCD相机(54)每隔一分钟采集颗粒材料表面的散斑图；
步骤B603、采用二值法量化不同阶段表壳裂纹发育规律；
步骤B604、采用VIC 3D软件处理散斑位移和应变；
步骤B605、采用断裂力学理论，计算应力强度因子，表征表壳破坏规律；
步骤B606、采用本构方程，构建表壳宏观应力分布及变化；
步骤B607、在步骤B601～步骤B606过程中，所述粉尘浓度传感器(53)和激光粉尘检测装置(55)测量并记录风蚀状态下第四洞体模块(14)内粉尘浓度及粒径分布；
步骤B7、对颗粒材料进行多环境因素影响下的抑尘剂环境适应性试验；
步骤B701、对多环境因素进行正交试验设计，所述正交试验设计包括开启红外加热管(41)、紫外线老化灯管(42)、喷淋装置(43)和振动装置(44)中的一个或多个；
步骤B702、根据正交试验设计组合安排试验；
步骤B703、采集不同环境因素下粉尘浓度、粉尘损失量及表壳破坏时间；
步骤B704、采用统计学方法，对抑尘剂抗风蚀性能及环境适应性进行量态分析。
2.按照权利要求1所述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，其特征在于：所述第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)均为中空的长方体形，且均包括钢制骨架和连接在钢制骨架上的高透石英玻璃视窗。
3.按照权利要求1所述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，其特征在于：所述支撑调节机构(17)包括支撑座(17-1)和支撑杆(17-2)，所述支撑杆(17-2)的一端与支撑座(17-1)连接，所述支撑杆(17-2)的另一端与第一洞体模块(11)或第四洞体模块(14)的底板连接，所述支撑座(17-1)的下部设置有万向轮(17-3)和调节座(17-4)，所述万向轮(17-3)上设置有刹车杆(17-5)，所述支撑杆(17-2)上设置有水平调节器(17-6)。
4.按照权利要求1所述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，其特征在于：所述试样固定机构(21)包括连接在第三洞体模块(13)活动板(16)上的支座(21-1)和中空导轨(21-2)，所述支座(21-1)上转动连接有置样板(21-3)，所述置样板(21-3)上设置有试样固定块(21-4)，所述中空导轨(21-2)上设置有调节旋钮(21-5)，所述调节旋钮(21-5)通过连杆(21-6)与置样板(21-3)连接。
5.按照权利要求1所述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，其特征在于：所述喷淋装置(43)包括抑尘剂储存箱(43-1)和喷淋头(43-2)，所述抑尘剂储存箱(43-1)和喷淋头(43-2)之间连接有抑尘剂输送管(43-3)，所述抑尘剂输送管(43-3)上设置有调节阀(43-4)，所述喷淋头(43-2)上连接有喷头调节器(43-5)，所述喷淋头(43-2)设置在第三洞体模块(13)的顶部，所述喷头调节器(43-5)设置在第三洞体模块(13)的外部。
6.按照权利要求1所述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，其特征在于：所述激光粉尘检测装置(55)包括纳米激光发射器(55-1)、光纤耦合器(55-2)、太赫兹光源(55-3)、第一抛物面镜(55-4)、第二抛物面镜(55-5)、太赫兹探测器(55-6)和光纤延迟器(55-7)，所述纳米激光发射器(55-1)通过光纤与光纤耦合器(55-2)连接，所述光纤耦合器(55-2)与太赫兹光源(55-3)连接，所述太赫兹光源(55-3)发出太赫兹光，经第一抛物面镜(55-4)反射为平行光，所述第二抛物面镜(55-5)接收平行光，所述太赫兹探测器(55-6)探测第二抛物面镜(55-5)接收的太赫兹光，所述太赫兹探测器(55-6)通过光纤延迟器(55-7)与光纤耦合器(55-2)连接。
7.按照权利要求1所述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，其特征在于，所述道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能试验方法的具体步骤包括：
步骤A1、选取路基材料和抑尘剂材料；
步骤A2、移动打开第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)内的活动板(16)，漏出用于放置路基材料的物料槽(15)；
步骤A3、通过喷头调节器(43-5)设定喷淋头(43-2)种类；
步骤A4、将路基材料均匀布置于物料槽(15)中，并进行表面整平；
步骤A5、将抑尘剂材料按照规定浓度和混合比配置后置于抑尘剂储存箱(43-1)中；
步骤A6、打开喷淋装置(43)，通过调节阀(43-4)控制喷淋头(43-2)出口压力和流量，实现抑尘剂在路基材料表面的均匀喷洒；
步骤A7、开启旋风除尘器(23)；
步骤A8、在风洞模拟单元中放入遥控的模拟矿车，且对模拟矿车按照原位试验缩小比进行载荷添加；
步骤A9、遥控模拟矿车以预定速度往复经过第三洞体模块(13)；
步骤A10、通过环境参数监测单元全程记录扬尘中粉尘浓度和粒径，实现对道路扬尘状态下抑尘剂抗风蚀性能的试验。
8.按照权利要求1所述的一种风洞模拟及环境适应性试验方法，其特征在于，所述受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验方法的具体步骤包括：
步骤C1、选取粉尘材料和用于轴向喷淋的抑尘剂材料；
步骤C2、关闭第一洞体模块(11)、第二洞体模块(12)、第三洞体模块(13)和第四洞体模块(14)内的活动板(16)；
步骤C3、将粉尘材料装入物料箱(1)中，将抑尘剂材料按照规定浓度和混合比配置后置于抑尘剂储存箱(43-1)中；
步骤C4、开启旋风除尘器(23)；
步骤C5、通过喷料调节器(5)调节粉尘材料以规定流量和速度，经输料管(3)和物料喷头(4)喷入风洞模拟单元中；
步骤C6、通过环境参数监测单元实时监测粉尘材料的扩散及运移规律；
步骤C7、通过喷头调节器(43-5)设定喷淋头(43-2)种类，开启喷淋装置(43)，对第三洞体模块(13)内悬浮粉尘进行喷淋降尘；
步骤C8、实时记录经喷淋前后的悬浮粉尘浓度及粒径的变化，实现受限空间悬浮粉尘运移规律及抑尘剂降尘效果试验。
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