CN113405977A - 一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置。本发明涉及建筑模型新型多因素联合降雪全过程模拟试验技术领域，所述装置包括：淋雨系统、供水系统、控制系统、吹雪系统和振动降雪系统，所述控制系统控制供水系统向淋雨系统供水，吹雪系统在低温环境下直接生成雪颗粒，振动降雪系统通过振动播撒装置，将雪播撒在试验段内，用以模拟天空降雪。本发明充分考虑了由降雨所导致的屋面冰雪荷载的演变过程。为大跨空间结构屋面积雪堆积‑消融‑结晶‑堆积演变全过程模拟研究的问题提供重要了支持。

Description

一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置

技术领域

本发明涉及建筑模型新型多因素联合降雪全过程模拟试验技术领域，是一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置。

背景技术

全球极端低温冰雪灾害频发，积雪导致建筑物、构筑物倒塌事故不断增加，建筑结构的抗雪形式十分严峻。以我国为例，据报道统计，2015年11月，我国中部地区普降大雪，多省发生雪致房屋倒塌事故，损坏房屋超千间；2018年1月，中部两场大雪也造成400余间房屋倒塌及1900余间受损。在日本、美国、加拿大及挪威等国，类似事故也时常发生。而在国内外自2008年起发生的近百起雪致工程灾害中，跨度较大的空间结构(网架网壳占25％，空间桁架占18％)、钢悬挑结构与轻钢结构等对雪荷载敏感的结构类型居多。大跨空间结构具有屋面结构轻，屋面面积大，雪荷载占总荷载比例大的特点，其设计往往由雪荷载控制，属于对雪荷载敏感的结构。另一方面，大跨空间结构多应用于体育场馆、机场航站楼和火车站站房等人员十分密集、影响十分重大的公共建筑，因此，大跨空间结构的雪致工程灾害后果往往十分严重，正确掌握其屋面雪荷载的设计方法意义尤为重大。本项目拟研制国际领先的大跨空间结构风-雨-热-雪全过程联合模拟试验系统，该系统由大气边界层低温风洞、降雪模拟、降雨模拟、太阳辐射与建筑供热模拟和高精度多任务监测与控制五个子系统构成。该系统研制为深入揭示大跨空间结构风-雨-热-雪耦合作用下屋面积雪全过程演变机理提供无可替代的试验平台，同时为完善屋面雪荷载数值模拟研究提供可靠依据，也为我国抢占建筑雪荷载研究理论制高点提供强有力支撑。

大量灾后调查结果表明：对屋面积雪的堆积机理与变化规律认识不清，特别是对风、雨、热等环境因素影响下屋面积雪的堆积-消融-结晶-堆积演变全过程机理的认识几乎为空白成为导致灾害的最根本原因。因此只有全面掌握了屋面积雪堆积的机理，才能对屋面雪荷载形成全面认识，并进行正确设计，从源头上保证结构的安全与可靠。目前雪荷载研究有三种方法，分别是现场实测、风洞试验和数值模拟。现场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。目前来讲，风洞试验是中外学者研究雪荷载的主要手段，但应用现存的风洞(传统风洞、法国JV气象风洞、日本新庄CES风洞以及哈工大风雪联合试验系统等)进行试验时，存在一些对屋面积雪机理模拟，尤其是对雨雪荷载耦合模拟不全面的问题：(1)无法对雨夹雪天气下积雪或覆冰在建筑屋盖上的分布进行模拟；(2)无法研究降雨对既有积雪的影响，无法对屋面雪荷载在复杂环境下演变的全过程进行模拟。

发明内容

本发明模拟雨夹雪天气下积雪或覆冰在建筑屋盖上的分布；二是研究降雨对既有积雪的影响，模拟屋面雪荷载在复杂环境下演变的全过程。本发明提供了一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，本发明提供了以下技术方案：

一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，所述装置包括：淋雨系统、供水系统、控制系统、吹雪系统和振动降雪系统，所述控制系统控制供水系统向淋雨系统供水，吹雪系统在低温环境下直接生成雪颗粒，振动降雪系统通过振动播撒装置，将雪播撒在试验段内，用以模拟天空降雪。

优选地，所述控制系统采用电磁阀，所述淋雨系统包括降雨喷嘴和降雨架，所述供水系统包括水箱、增压水泵和流量调节阀，所述水箱的进水管路连接增压水泵，所述增压水泵的回水管路连接流量调节阀，所述流量调节阀的的回水管路连接水箱；

所述增压水泵的进水管路连接电磁阀，所述电磁阀连接降雨喷嘴。

优选地，所述吹雪系统采用核子器、吹雪架和造雪机，所述造雪机、吹雪架和核子器连接增压水泵的进水管路，所述核子器的雾化水输出端连接吹雪架，所述造雪机的雪颗粒输送路径输出雪颗粒至振动降雪系统。

优选地，所述电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，所述第一电磁阀连接小雨模拟水管路，所述第二电磁阀连接中雨模拟水管路，所述第三电磁阀连接大雨模拟水管路。

优选地，所述装置还包括空气压缩机，所述空气压缩机供气端连接核子器，通过空气压缩机将喷嘴和管路内的水吹干。

优选地，所述装置还包括软化装置，水箱中的水先经过过滤器过滤，并经过软化装置进行软化水源。

优选地，所述吹雪架包括空气开关阀、空气过滤器、空气调节器和压力表、空气雾化喷嘴、液压调节器和压力表、液体过滤器和液体开关阀；

空气通过空气开关阀，空气开关阀连接空气过滤器，空气过滤器连接空气调节器和压力表，所述空气调节器和压力表连接空气雾化喷嘴，

液体进入液体开关阀，液体开关阀连接液体过滤器，液体过滤器连接液压调节器和压力表，液压调节器和压力表连接空气雾化喷嘴。

本发明具有以下有益效果：

本发明充分考虑了由降雨所导致的屋面冰雪荷载的演变过程。为大跨空间结构屋面积雪堆积-消融-结晶-堆积演变全过程模拟研究的问题提供重要了支持。现有冰雪环境模拟器通常采用高压喷枪或线性单层振动播撒装置来模拟降雪环境，颗粒播撒的均匀性存在较大问题。故风吹雪装置采用核子器，首先在试验段形成雾化环境，后利用上游吹雪架吹雪模块水平吹雪，经由低温高速气流冷却凝结，形成均匀稳定的雪颗粒入流。振动播撒装置则采用面状双层筛网，通过首层筛网左右振动筛选，使颗粒初步均匀地散落在二层筛网，后通过上下振动，实现颗粒的均匀播撒。

本发明降雨系统采用双精度调节，即先通过流量控制，实现流量约束，在合理的流量约束范围再对压力进行调节，这样供水系统提供水工况和降雨喷嘴工作需求的水工况匹配较好，可以实现持续、均匀和稳定的降雨覆盖，达到良好的降雨模拟效果。该设备配备高灵敏电子雨量计和雨量微电脑采集器，以终端实际降雨参数调节控制整个降雨过程，并可实时显示模拟降雨的动态变化及曲线，有效克服了从水源到喷嘴各个环节的损耗和阻力造成的误差。

附图说明

图1为雨雪荷载耦合模拟的试验装置示意图；

图2为吹雪架结构图；

图3为降雨系统结构图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1至图3所示，本发明提供一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，所述装置包括：淋雨系统、供水系统、控制系统、吹雪系统和振动降雪系统，所述控制系统控制供水系统向淋雨系统供水，吹雪系统在低温环境下直接生成雪颗粒，振动降雪系统通过振动播撒装置，将雪播撒在试验段内，用以模拟天空降雪。

吹雪系统可在低温环境下直接生成雪颗粒，用于吹雪试验；振动降雪系统通过振动播撒装置，可将事先准备好的雪播撒在试验段内，用以模拟天空降雪。

淋雨系统用于模拟自然降雨；供水系统为系统提供水源，保证供水水质和水量；控制系统实现雨强的调节，并进行监测，实现整套系统的闭环控制。主要工作设备由离心泵、变频器、降雨喷嘴、压力变送器，流量计、电子雨量计，供水管路和方钢支架等组成。

本发明的工作过程和工作原理是：造雪时，自来水首先经过预处理，再经二级反渗透加电去离子(EDI)，满足喷雾水指标。纯水经过电加热至40℃，用计量泵以工作压力0～0.5MPa送至喷雾装置上的喷嘴使用。为了防止进入喷雾系统的水过热，将超纯水箱的冷水与电加热水箱的热水混合，再通过计量泵送入喷雾耙，从而达到降低水温的目的。另外，设备配置了回水管路，将喷雾耙的回水和从计量泵出来的多余用水通过微调阀管路送回水箱播撒降雪装置设计的重点在于保证降雪的均匀性。以往试验均采用单层条形振动播撒装置，颗粒播撒均匀度存在很大问题，为尽力保证降雪的均匀性，本试验系统振动播撒装置采用面状双层筛网，通过首层筛网左右振动筛选，使颗粒初步均匀地散落在二层筛网，后通过上下振动，实现颗粒的均匀播撒。

以降雨覆盖面积和雨强为核心参数，供水系统采用水压和水量双级精调，以流量计水流量数据为主控反馈，最终实现试验区雨强的精确且均匀覆盖。

所述控制系统采用电磁阀，所述淋雨系统包括降雨喷嘴和降雨架，所述供水系统包括水箱、增压水泵和流量调节阀，所述水箱的进水管路连接增压水泵，所述增压水泵的回水管路连接流量调节阀，所述流量调节阀的的回水管路连接水箱；

所述增压水泵的进水管路连接电磁阀，所述电磁阀连接降雨喷嘴。

所述吹雪系统采用核子器、吹雪架和造雪机，所述造雪机、吹雪架和核子器连接增压水泵的进水管路，所述核子器的雾化水输出端连接吹雪架，所述造雪机的雪颗粒输送路径输出雪颗粒至振动降雪系统。

所述电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，所述第一电磁阀连接小雨模拟水管路，所述第二电磁阀连接中雨模拟水管路，所述第三电磁阀连接大雨模拟水管路。

所述装置还包括空气压缩机，所述空气压缩机供气端连接核子器，通过空气压缩机将喷嘴和管路内的水吹干。

所述装置还包括软化装置，水箱中的水先经过过滤器过滤，并经过软化装置进行软化水源。

所述吹雪架包括空气开关阀、空气过滤器、空气调节器和压力表、空气雾化喷嘴、液压调节器和压力表、液体过滤器和液体开关阀；

空气通过空气开关阀，空气开关阀连接空气过滤器，空气过滤器连接空气调节器和压力表，所述空气调节器和压力表连接空气雾化喷嘴，

液体进入液体开关阀，液体开关阀连接液体过滤器，液体过滤器连接液压调节器和压力表，液压调节器和压力表连接空气雾化喷嘴。

吹雪试验时，吹雪模块安装在试验段的喷口进行水平吹雪，吹雪模块和喷口采用法兰连接与固定。吹雪试验开始时，由水处理中心提供试验用水，由增压泵增压后经由高压软管输送至吹雪架，吹雪架首先开启核子器形成雾化环境，再根据控制面板上的预设程序，根据降雪量，调节增压水泵提供的供水量，经由风洞风扇提供的高速气流，强迫小液滴与试验环境的冷空气进行热交换，小液滴降温结晶，形成试验降雪。

降雪试验时，采用已经储存的定量的雪进行模拟试验，利用播撒装置使雪晶颗粒能够均匀降落到试验段，从而完成降雪模拟。振动播撒装置由振动控制仪、振动盘(含送料漏斗)和两层筛网组成，振动控制仪可通过调节振动频率来控制进料速度。振动盘料斗下设有脉冲电磁铁，可使料斗作垂直方向振动，由倾斜的弹簧片带动料斗绕其垂直轴做扭摆振动。料斗内颗粒，由于受到振动而沿螺旋轨道上升，在上升的过程中经过一系列轨道的筛选或者姿态变化，使颗粒能够按要求呈统一状态自动进入到筛落装置中。第一层筛网选用网格孔径尺寸较大，初步选择为第二层网格孔径的2倍，通过控制筛网左右晃动，从而使雪晶颗粒滴落到第二层网格上方，并基本能够均匀分布，再通过第二层筛网的上下振动，使雪晶颗粒能够均匀降落到试验段，从而完成降雪模拟。

基于PLC编程变频器控制水泵电机的供电频率，通过流量控制和压力控制调节雨量大小，稳定降雨强度，并采用专业的降雨喷嘴喷射的方式进行降雨模拟。首先，由供水中心提供经过过滤器过滤，并经过软化装置软化的水源，由变频水泵输送软化水，采用流量调节阀调节支管路的流量，利用流量计监测主管路的流量，实现系统流量调节。通过调压阀控制管路的压力，使喷嘴端的压力达到工作压力状态。通过电磁阀控制喷嘴端管路的打开和关闭。试验完成后，为了避免管路的结冰堵塞和锈蚀，需将管路中的残水排出，因此采用压缩空气扫气装置，将喷嘴及附近管路内的水吹干。

本发明提出的一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置所能达到的技术指标为：1)风吹雪装置能够实现试验段内均匀的颗粒播撒，保证风吹雪环境的均匀度；2)吹雪强度为30-150mm/h，能够真实模拟从小雪至暴雪的吹雪环境；3)吹雪面积为2m×1.5m，能够实现大面积播撒，保证大缩尺比模型试验的可行性；4)降雪装置通过双层筛网的设置，能够实现雪颗粒的均匀播撒；5)降雪强度能够模拟小雪至暴雪各自然条件下的降雪环境，降雪面积2m╳5m。6)降雨强度：5～120mm/24h(±2mm/24h)，可调；7)无风条件下降雨均匀度：＞0.7；8)降雨面积达到2m×6m；9)可连续降雨时间：1h；10)控制系统实现雨强的调节，并进行实时监测，实现整套降雨子系统的闭环控制。

以上所述仅是一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置的优选实施方式，一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，其特征是：所述装置包括：淋雨系统、供水系统、控制系统、吹雪系统和振动降雪系统，所述控制系统控制供水系统向淋雨系统供水，吹雪系统在低温环境下直接生成雪颗粒，振动降雪系统通过振动播撒装置，将雪播撒在试验段内，用以模拟天空降雪。

2.根据权利要求1所述的一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，其特征是：所述控制系统采用电磁阀，所述淋雨系统包括降雨喷嘴和降雨架，所述供水系统包括水箱、增压水泵和流量调节阀，所述水箱的进水管路连接增压水泵，所述增压水泵的回水管路连接流量调节阀，所述流量调节阀的的回水管路连接水箱；

所述增压水泵的进水管路连接电磁阀，所述电磁阀连接降雨喷嘴。

3.根据权利要求2所述的一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，其特征是：所述吹雪系统采用核子器、吹雪架和造雪机，所述造雪机、吹雪架和核子器连接增压水泵的进水管路，所述核子器的雾化水输出端连接吹雪架，所述造雪机的雪颗粒输送路径输出雪颗粒至振动降雪系统。

4.根据权利要求3所述的一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，其特征是：所述电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，所述第一电磁阀连接小雨模拟水管路，所述第二电磁阀连接中雨模拟水管路，所述第三电磁阀连接大雨模拟水管路。

5.根据权利要求4所述的一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，其特征是：所述装置还包括空气压缩机，所述空气压缩机供气端连接核子器，通过空气压缩机将喷嘴和管路内的水吹干。

6.根据权利要求3所述的一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，其特征是：所述装置还包括软化装置，水箱中的水先经过过滤器过滤，并经过软化装置进行软化水源。

7.根据权利要求3所述的一种用于雨雪荷载耦合模拟的试验装置，其特征是：所述吹雪架包括空气开关阀、空气过滤器、空气调节器和压力表、空气雾化喷嘴、液压调节器和压力表、液体过滤器和液体开关阀；

空气通过空气开关阀，空气开关阀连接空气过滤器，空气过滤器连接空气调节器和压力表，所述空气调节器和压力表连接空气雾化喷嘴，

液体进入液体开关阀，液体开关阀连接液体过滤器，液体过滤器连接液压调节器和压力表，液压调节器和压力表连接空气雾化喷嘴。

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