CN114235633A - 一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，试验装置包括：内置有温控装置的隧道模型；内部温度可调节的冷域环境；空气幕装置，幕布和红外成像仪。通过隧道模型的温度、冷域环境的温度以及空气幕装置的参数，研究不同隧道内外温差、不同隧道空气幕设置参数以及不同隧道空气幕运行阶段和持续时间的情况下，隧道空气幕装置的气流运动轨迹和瞬时温度场的变化规律，本发明通过采用红外成像仪进行数据测量，能够方便的获得隧道空气幕装置在隧道洞口区域内气流的运行轨迹及其瞬时温度场。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验装置技术领域，具体为一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法。
背景技术
高效、低能、绿色、经济的隧道保温方式，是预防隧道冻害领域的发展方向，也是相关部门对隧道冻害情况多元治理主题的中心议题。其中，主动保温方法处于隧道保温领域中最为核心的环节，对于当前部分极寒地区隧道采用的防寒门、主动加热等方法，虽然能有效的解决隧道冻害问题，但以上方法均存在缺陷。其中大阪山公路隧道采用的防寒门保温方法，在实际运营过程中，因降雨、隧道渗水等情况致使防寒门冻结，导致交通事故的发生，造成了严重的经济损失，致使其并不适用于隧道保温领域，尤其是高速铁路隧道；内蒙古博牙高速公路扎敦河隧道采用利用地温能的隧道保温加热水沟技术，此种方法对科技技术及施工技术要求极高，并不适用于所有隧道。
空气幕因其保温除尘等性能广泛应用于商场、冷库、超市、车站等场所，但尚未应用到隧道保温的领域，空气幕的保温原理是通过喷射强风形成空气幕墙阻隔外界的冷暖交互，达到维护内部温度的效果，相较于空气幕现已应用的场所，隧道因其特定设计形状、内部温度场、外界坏境等差异，传统的空气幕理论并不完全适用于隧道领域，因此研究隧道空气幕的气流轨迹方程及其性能是将空气幕应用到隧道保温领域的前提。
传统用于测量空气幕装置气流轨迹方程及其性能的各种试验大多采用低速热风速计探头逐点进行气流场的绘制，该方法测绘是一种十分耗时的方法，实验过程中需要对实验的初始条件进行频繁的重新定位，导致实验设置繁琐、易受外部条件影响、实验结果的可靠性低等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，以解决上述背景技术中提出的相关问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，包括如下步骤：
步骤一、获取数据一，控制试验装置中隧道模型的围岩地温不变，控制空气幕装置的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度不变，调节冷域环境温度达到设定温度，通过幕布和红外成像仪获取热自然对流温度场数据一；
步骤二、获取数据二，控制试验装置中冷域环境温度不变，控制空气幕装置的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度不变，调节所述隧道模型的围岩地温达到设定温度，通过幕布和红外成像仪获取热自然对流温度场数据二；
步骤三、获取数据三，控制试验装置中隧道模型的围岩地温不变，控制冷域环境温度不变，调节空气幕装置的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度，通过幕布和红外成像仪获取气流场和温度场数据三；
步骤四、整合分析，根据得到的数据一、数据二和数据三，得出隧道不同纵断面、不同隧道洞内外温差及不同空气幕设置参数条件下隧道空气幕装置的气流运动轨迹方程和隧道空气幕密封及保温性能。
优选的，所述试验装置包括：
隧道模型，为混凝土衬砌而成；
温控装置，埋置于所述隧道模型中，用于调节所述隧道模型的围岩地温；
冷域环境，设置在所述隧道模型一侧，与所述隧道模型一端的洞口连通，所述冷域环境的温度可调节；
空气幕装置，设置在所述冷域环境的内壁上，位于所述隧道模型与所述冷域环境的连通处；
隔板，设置在所述隧道模型与所述冷域环境连通的洞口处，用于隔断所述隧道模型与冷域环境的热交换；
幕布，用于发出红外图像；
红外成像仪，用于记录所述幕布发出的红外图像。
优选的，所述温控装置为加热电缆，沿着所述隧道模型的轴向均匀的埋置于所述隧道模型中。
优选的，所述冷域环境处设置有制冷机组，所述制冷机组的外机设置在所述冷域环境外，所述制冷机组的散热片设置在所述冷域环境内。
优选的，所述冷域环境为聚苯乙烯树脂保温板组成的密闭腔室。
优选的，所述空气幕装置为射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度均可调节的定制型空气幕装置，包括：进风口，出风口，空气幕射流厚度调节器和空气幕射流角度调节器。
优选的，所述隔板为保温板，其形状尺寸与所述隧道模型的洞口形状尺寸相配合。
优选的，所述步骤一具体为：固定所述隧道模型的围岩地温，调节所述冷域环境温度达到设定温度，所述隧道模型的洞内外温差达到设定值时移开所述隔板，将所述幕布沿平行于所述隧道模型的轴向设置，将所述红外成像仪设置于所述幕布一侧，实时监测并记录热自然对流温度场；
所述步骤二具体为：固定所述冷域环境温度，调节所述隧道模型的围岩地温达到设定温度，所述隧道模型的洞内外温差达到设定值时移开所述隔板，将所述幕布沿平行于所述隧道模型的轴向设置，将所述红外成像仪设置于所述幕布一侧，实时监测并记录热自然对流温度场；
所述步骤三具体为：固定所述隧道模型的围岩地温，固定所述冷域环境温度，调节所述空气幕装置的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度，所述隧道模型的洞内外温差达到设定值时移开所述隔板，将所述幕布沿平行于所述隧道模型的轴向设置，将所述红外成像仪设置于所述幕布一侧，并在此时间段内实时监测气流场和温度场；
移动所述幕布的位置重复上述步骤；
固定所述幕布的位置，移动所述红外成像仪的位置重复上述步骤；
所述步骤四具体为：分析红外成像仪采集的瞬时图像，提取出风速及温度数据，拟合分析试验数据，得出隧道不同纵断面、不同隧道洞内外温差及不同空气幕设置参数条件下隧道空气幕装置的气流运动轨迹方程和隧道空气幕密封及保温性能。
与现有技术相比，本发明提供了一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，具备以下有益效果：
1.本发明采用内置有温控装置的隧道模型和内部温度可调节的冷域环境，可用于研究不同隧道内外温差的情况下，隧道空气幕装置的气流运动轨迹和瞬时温度场的变化规律。
2. 本发明采用射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度均可调节的定制型空气幕装置，可用于研究不同隧道空气幕设置参数、不同隧道空气幕运行阶段和持续时间的情况下，隧道空气幕装置的气流运动轨迹和瞬时温度场的变化规律。
3. 本发明采用幕布和红外成像仪，能够方便的获得隧道空气幕装置在隧道洞口区域内气流的运行轨迹及其瞬时温度场，相较于传统用于测量空气幕装置气流轨迹方程及其性能的各种试验大多采用低速热风速计探头逐点进行气流场的绘制的方法，更加便捷准确。
4.本发明采用控制变量法，研究不同隧道内外温差、不同隧道空气幕设置参数以及不同隧道空气幕运行阶段和持续时间的情况下，隧道空气幕装置的气流运动轨迹和瞬时温度场的变化规律，为将空气幕保温技术应用到隧道保温领域提供依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法的流程图；
图2为本发明提供的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法用的试验装置的结构示意图；
图3为本发明提供的种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法用的试验装置中的空气幕装置的结构示意图；
图中：1、隧道模型，2、加热电缆，3、空气幕装置，4、冷域环境，5、制冷机组，6、幕布，7、红外成像仪，a、隔板，b、进风口，c、出风口，d、空气幕射流厚度调节器，e、空气幕射流角度调节器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图2-3，本发明提供的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法用的试验装置，包括：
隧道模型1，为混凝土衬砌，由等比例的隧道模具浇筑而成，所述混凝土浇筑材料由水泥、碎石、砂子和水按一定比例配置而成，具体比例视隧道实际导热系数而定，在本实施例中，所述隧道模型1采用1：20比例的相似模型进行试验，其他实施例中，可根据需要采用不同比例的隧道模型1进行试验；
温控装置，埋置于所述隧道模型1中，用于调节所述隧道模型1的围岩地温；
冷域环境4，设置在所述隧道模型1一侧，与所述隧道模型1一端的洞口连通，所述冷域环境4的温度可调节；
空气幕装置3，设置在所述冷域环境4的内壁上，位于所述隧道模型1与所述冷域环境4的连通处；
隔板a，设置在所述隧道模型1与所述冷域环境4连通的洞口处，用于隔断所述隧道模型1与冷域环境4的热交换；
幕布6，用于发出红外图像，所述幕布6采用长宽为3 m*1 m*0.25 mm的白塑布；
红外成像仪7，用于记录所述幕布6发出的红外图像，所述红外成像仪7采用FOTRIC728C型红外成像仪，测温量程为-20 ℃~350 ℃，640*480 像素。
实施例2
本实施例的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法用的试验装置，在实施例1的基础上做进一步改进，所述温控装置为加热电缆2，沿着所述隧道模型1的轴向均匀的埋置于所述隧道模型1中，所述加热电缆2用于模拟围岩地温对所述隧道模型1进行传热，所述加热电缆2的型号为温斐TXLP-2R700W。
实施例3
本实施例的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法用的试验装置，在实施例1的基础上做进一步改进，所述冷域环境4设置有制冷机组5，所述制冷机组5的外机设置在所述冷域环境4，所述制冷机组5的散热片设置在所述冷域环境4内，所述制冷机组5采用型号为格力8P冷凝机组，温度控制范围为-20℃~0℃。
实施例4
本实施例的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法用的试验装置，在实施例1的基础上做进一步改进，所述冷域环境4为聚苯乙烯树脂保温板组成的密闭腔室，所述冷域环境4的长宽高为6m*2m*2m。
实施例5
本实施例的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法用的试验装置，在实施例1的基础上做进一步改进，所述空气幕装置3为射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度均可调节的定制型空气幕装置，包括：进风口b，出风口c，空气幕射流厚度调节器的和空气幕射流角度调节器e，空气幕射流厚度调节器d的调节范围为0~10cm，空气幕射流角度调节器e的调节范围为0~90°，射流温度控制范围为0~60℃。
实施例6
本实施例的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法用的试验装置，在实施例1的基础上做进一步改进，所述隔板a为保温板，其形状尺寸与所述隧道模型1的洞口形状尺寸相配合。
实施例7
请参阅图1，本实施例中的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，基于上述实施例1-6中的试验装置，包括以下步骤：
固定所述隧道模型1的围岩地温，调节所述冷域环境4温度达到设定温度，所述隧道模型1的洞内外温差达到设定值时移开所述隔板a，将所述幕布6沿平行于所述隧道模型1的轴向设置，将所述红外成像仪7设置于所述幕布6一侧，实时测量并记录热自然对流温度场；
固定所述冷域环境4温度，调节所述隧道模型1的围岩地温达到设定温度，将所述幕布6沿平行于所述隧道模型1的轴向设置，将所述红外成像仪7设置于所述幕布6一侧，实时监测并记录热自然对流温度场；
固定所述隧道模型1的围岩地温，固定所述冷域环境4温度，调节所述空气幕装置3的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度，所述隧道模型1的洞内外温差达到设定值时移开所述隔板a，将所述幕布6沿平行于所述隧道模型1的轴向设置，将所述红外成像仪7设置于所述幕布6一侧，并在此时间段内实时监测气流场和温度场；
移动所述幕布6的位置重复上述步骤；
固定所述幕布6的位置，移动所述红外成像仪7的位置重复上述步骤；
分析红外成像仪采集的瞬时图像，提取出风速及温度数据，本实施例中，采用所采用的TrendIR、FAIRs、SDK和AnalyzIR软件拟合分析试验数据，得出隧道不同纵断面、不同隧道洞内外温差及不同空气幕设置参数条件下隧道空气幕装置的气流运动轨迹方程和隧道空气幕密封及保温性能，为将空气幕保温技术应用到隧道保温领域提供理论计算方法和试验数据积累。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性地包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、获取数据一，控制试验装置中隧道模型的围岩地温不变，控制空气幕装置的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度不变，调节冷域环境温度达到设定温度，通过幕布和红外成像仪获取热自然对流温度场数据一；
步骤二、获取数据二，控制试验装置中冷域环境温度不变，控制空气幕装置的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度不变，调节所述隧道模型的围岩地温达到设定温度，通过幕布和红外成像仪获取热自然对流温度场数据二；
步骤三、获取数据三，控制试验装置中隧道模型的围岩地温不变，控制冷域环境温度不变，调节空气幕装置的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度，通过幕布和红外成像仪获取气流场和温度场数据三；
步骤四、整合分析，根据得到的数据一、数据二和数据三，得出隧道不同纵断面、不同隧道洞内外温差及不同空气幕设置参数条件下隧道空气幕装置的气流运动轨迹方程和隧道空气幕密封及保温性能。
2.根据权利要求1所述的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，其特征在于：
所述试验装置包括：
隧道模型，为混凝土衬砌而成；
温控装置，埋置于所述隧道模型中，用于调节所述隧道模型的围岩地温；
冷域环境，设置在所述隧道模型一侧，与所述隧道模型一端的洞口连通，所述冷域环境的温度可调节；
空气幕装置，设置在所述冷域环境的内壁上，位于所述隧道模型与所述冷域环境的连通处；
隔板，设置在所述隧道模型与所述冷域环境连通的洞口处，用于隔断所述隧道模型与冷域环境的热交换；
幕布，用于发出红外图像；
红外成像仪，用于记录所述幕布发出的红外图像。
3.根据权利要求2所述的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，其特征在于：
所述温控装置为加热电缆，沿着所述隧道模型的轴向均匀的埋置于所述隧道模型中。
4.根据权利要求3所述的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，其特征在于：
所述冷域环境处设置有制冷机组，所述制冷机组的外机设置在所述冷域环境外，所述制冷机组的散热片设置在所述冷域环境内。
5.根据权利要求4所述的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，其特征在于：
所述冷域环境为聚苯乙烯树脂保温板组成的密闭腔室。
6.根据权利要求5所述的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，其特征在于：
所述空气幕装置为射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度均可调节的定制型空气幕装置，包括：进风口，出风口，空气幕射流厚度调节器和空气幕射流角度调节器。
7.根据权利要求6所述的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，其特征在于：
所述隔板为保温板，其形状尺寸与所述隧道模型的洞口形状尺寸相配合。
8.根据权利要求7所述的一种测量隧道空气幕运行轨迹及其性能的模型试验方法，其特征在于：
所述步骤一具体为：固定所述隧道模型的围岩地温，调节所述冷域环境温度达到设定温度，所述隧道模型的洞内外温差达到设定值时移开所述隔板，将所述幕布沿平行于所述隧道模型的轴向设置，将所述红外成像仪设置于所述幕布一侧，实时监测并记录热自然对流温度场；
所述步骤二具体为：固定所述冷域环境温度，调节所述隧道模型的围岩地温达到设定温度，所述隧道模型的洞内外温差达到设定值时移开所述隔板，将所述幕布沿平行于所述隧道模型的轴向设置，将所述红外成像仪设置于所述幕布一侧，实时监测并记录热自然对流温度场；
所述步骤三具体为：固定所述隧道模型的围岩地温，固定所述冷域环境温度，调节所述空气幕装置的射流速度、射流角度、射流厚度和射流温度，所述隧道模型的洞内外温差达到设定值时移开所述隔板，将所述幕布沿平行于所述隧道模型的轴向设置，将所述红外成像仪设置于所述幕布一侧，并在此时间段内实时监测气流场和温度场；
移动所述幕布的位置重复上述步骤；
固定所述幕布的位置，移动所述红外成像仪的位置重复上述步骤；
所述步骤四具体为：分析红外成像仪采集的瞬时图像，提取出风速及温度数据，拟合分析试验数据，得出隧道不同纵断面、不同隧道洞内外温差及不同空气幕设置参数条件下隧道空气幕装置的气流运动轨迹方程和隧道空气幕密封及保温性能。
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