CN114264573B - 一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置及方法，该装置包括制造风场的轴流风机，加速来自轴流风机气体的收缩段，观测烟云扩散的实验段，位于收缩段和实验段之间的大气边界层风场模拟段，位于实验段后的扩散段和出口段；大气边界层风场模拟段包括整流蜂网和湍流发生装置，实验段包括可升降平台、万向旋转接头、烟气喷嘴、冷却水管、风冷换热器、加热丝、直流电源、空气温度计和电控系统。本发明在对环境影响较小的前提下，可测得不同喷出高度和角度的气体射流在不同大气边界层风场和温度场中的扩散过程，为烟云扩散模型的建立创造了实验条件。
Description
技术领域
本发明属于气体射流验证实验研究技术领域，具体涉及一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置及方法。
背景技术
研究烟云扩散特性，建立烟云扩散模型可用于反演未知爆炸事故类型、当量或推测战场武器型号、威力及毁伤效应，实现未知爆炸源实时快速侦测，对战场爆炸远程评测、爆炸事故非现场侦测、有害物质爆轰污染快速预警与评估等也具有重要价值。
针对烟云扩散问题，国内外学界长久以来已开展了大量相关实验。但由于大型外场试验对环境影响大，代价高，故绝大部分研究为小当量试验，得到的烟云扩散顶高经验关系式适用范围窄，在各种不同当量、复杂气象地形条件下对烟云扩散的爆高估值误差较大。有关烟气扩散的模拟装置，研究对象多为密闭空间，未考虑大气边界层的风场和温度场条件。
例如，中国专利申请CN201910409900，能够准确直观地模拟建筑室内发生火灾时建筑内部烟气扩散的情况，展示防火门、防烟挡板等设施的作用，但是研究对象为室内密闭空间，发烟装置无法控制烟气初始的高度和角度，且未考虑大气边界层的风场和温度场条件，适用范围过窄。
发明内容
本发明的目的是针对上述实验的缺点，提供一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置及方法，本发明对环境影响小，且能测得不同喷出高度和角度的气体射流在不同大气边界层风场和温度场中的扩散过程，为烟云扩散模型的建立创造了实验条件。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置，包括制造风场的轴流风机1，与轴流风机1连接的加速来自轴流风机1气体的收缩段2，观测烟云扩散的实验段4，位于收缩段2和实验段4之间的大气边界层风场模拟段3，位于实验段4后的扩散段5和出口段6；
所述实验段4底部壁面固定有可升降的平台11，平台11上使用万向旋转接头12固定烟气喷嘴13，烟气喷嘴13可在平台11升降轴线上任意位置固定，以任意角度喷出烟气；
所述实验段4上部壁面埋有冷却水管14，冷却水管14连接风冷换热器15；下部壁面埋有加热丝16，加热丝16连接直流电源17；出口处自下而上等距布置多个空气温度计18；空气温度计18测量数据实时反馈给电控系统19，从而实时调节上部冷却水管14内的冷却水流量和下部加热丝16的加热功率，实现大气边界层自下而上分层温度场的模拟。
所述各段均采用可拆卸式连接。
所述收缩段2和扩散段5可根据需要更换不同变径比、曲率和长度。
所述大气边界层风场模拟段3包括实验段4前部的整流蜂网7和湍流发生装置8。
所述湍流发生装置8包括尖劈9和混凝土粗糙元10，尖劈9和混凝土粗糙元10的尺寸、数量、形状和排布方式均可按照实验要求改变，配合轴流风机1，实现不同风速、不同雷诺数的大气边界层风场模拟。
所述实验段4的四侧壁面均为可视化高透有机玻璃，可以实现满足多种可视化烟气扩散测量设备自扩散箱外部的非接触测量。
所述模拟装置对应的实验方法，首先通过可升降的平台11和万向旋转接头12调整烟气喷嘴13的位置和角度，使之满足实验要求；接着启动轴流风机1，调整大气边界层风场模拟段3中尖劈9和混凝土粗糙元10的数量和排布方式，使轴流风机1产生的风场在经过整流蜂网7和湍流发生装置8后达到指定实验工况要求；再接着启动实验段4上部的冷却水管14连接的风冷换热器15和下部的加热丝16连接的直流电源17，布置在实验段4出口处的多个空气温度计18将测量数据实施反馈给电控系统19，电控系统19通过调节实验段4上部的冷却水管14内的冷却水流量和下部的加热丝16的加热功率以调节实验段4内分层温度场使之达到指定实验工况要求；最后烟气喷嘴13喷入烟气，工作人员可通过实验段4四侧的可视化高透有机玻璃对烟气扩散进行后续观测记录。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明所述模拟装置及方法实现了可视化可控大气边界层烟云扩散特性模拟研究，在对环境影响较小的前提下，在四侧为可视化高透有机玻璃的实验段中完成对烟云扩散的观察。
2、本发明所述模拟装置在可升降平台上使用万向旋转接头固定烟气喷嘴，从而实现烟气喷入时高度和角度的精确控制。
3、本发明所述模拟装置采用的大气边界层风场模拟段包括整流蜂网和湍流发生装置。其中湍流发生装置的尖劈和混凝土粗糙元的尺寸、数量、形状和排布方式均可按照实验要求改变，配合轴流风机，从而实现不同风速、不同雷诺数的大气边界层风场模拟。
4、本发明所述模拟装置采用的实验段上部壁面埋有连接风冷换热器的冷却水管，下部壁面埋有连接直流电源的加热丝，电控系统配合出口处布置的空气温度计实时调节上部冷却水管内的冷却水流量和下部加热丝的加热功率，从而实现大气边界层自下而上分层温度场的模拟。
附图说明
图1为本发明模拟装置的系统图；
图2为实验段结构图。
附图标记：1-轴流风机、2-收缩段、3-大气边界层风场模拟段、4-实验段、5-扩散段、6-出口段、7-整流蜂网、8-湍流发生装置、9-尖劈、10-混凝土粗糙元、11-平台、12-万向旋转接头、13-烟气喷嘴、14-冷却水管、15-风冷换热器、16-加热丝、17-直流电源、18-空气温度计、19-电控系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细的说明：
如图1所示，本发明一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置，包括制造风场的轴流风机1，与轴流风机1连接的加速来自轴流风机1气体的收缩段2，观测烟云扩散的实验段4，位于收缩段2和实验段4之间的大气边界层风场模拟段3，位于实验段4后的扩散段5和出口段6。
所述各段都可快速拆卸并再连接；所述收缩段2和扩散段5可根据需要更换成不同变径比、曲率和长度的设备段；所述大气边界层风场模拟段3包括实验段4前部的整流蜂网7和湍流发生装置8；所述湍流发生装置8包括尖劈9和混凝土粗糙元10，尖劈9和混凝土粗糙元10的尺寸、数量、形状和排布方式均可按照实验要求改变，配合轴流风机1，实现不同风速、不同雷诺数的大气边界层风场模拟。
如图2所示，所述实验段4的四侧壁面均为可视化高透有机玻璃，可以实现满足多种可视化烟气扩散测量设备自扩散箱外部的非接触测量。实验段4底部壁面固定有可升降的平台11，平台11上使用万向旋转接头12固定烟气喷嘴13，烟气喷嘴13可在平台11升降轴线上任意位置固定，以任意角度喷出烟气。实验段4上部壁面埋有冷却水管14，连接风冷换热器15；下部壁面埋有加热丝16，连接直流电源17；出口处自下而上等距布置五个空气温度计18。空气温度计18测量数据实时反馈给电控系统19，由电控系统19实时调节上部冷却水管14内的冷却水流量和下部加热丝16的加热功率，实现大气边界层自下而上分层温度场的模拟。
所述可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置对应的实验方法，首先通过可升降的平台11和万向旋转接头12调整烟气喷嘴13的位置和角度，使之满足实验要求；接着启动轴流风机1，调整大气边界层风场模拟段3中尖劈9和混凝土粗糙元10的数量和排布方式，使轴流风机1产生的风场在经过整流蜂网7和湍流发生装置8后达到指定实验工况要求；再接着启动实验段4上部的冷却水管14连接的风冷换热器15和下部的加热丝16连接的直流电源17，布置在实验段4出口处的五个空气温度计18将测量数据实施反馈给电控系统19，电控系统19通过调节实验段4上部的冷却水管14内的冷却水流量和下部的加热丝16的加热功率以调节实验段4内分层温度场使之达到指定实验工况要求；最后烟气喷嘴13喷入烟气，工作人员可通过实验段4四侧的可视化高透有机玻璃对烟气扩散进行后续观测记录
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上所述实施例的变化和变型都应当视为在本发明的权利要求书范围内。
Claims (7)
1.一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置，其特征在于：所述烟云扩散模拟装置考虑了大气边界层风场和温度场，包括制造风场的轴流风机(1)，与轴流风机(1)连接的加速来自轴流风机(1)气体的收缩段(2)，观测烟云扩散的实验段(4)，位于收缩段(2)和实验段(4)之间的大气边界层风场模拟段(3)，位于实验段(4)后的扩散段(5)和出口段(6)；
所述实验段(4)底部壁面固定有可升降的平台(11)，平台(11)上使用万向旋转接头(12)固定烟气喷嘴(13)，烟气喷嘴(13)能在平台(11)升降轴线上任意位置固定，以任意角度喷出烟气；
所述实验段(4)上部壁面埋有冷却水管(14)，冷却水管(14)连接风冷换热器(15)；下部壁面埋有加热丝(16)，加热丝(16)连接直流电源(17)；出口处自下而上等距布置多个空气温度计(18)；空气温度计(18)测量数据实时反馈给电控系统(19)，从而实时调节上部冷却水管(14)内的冷却水流量和下部加热丝(16)的加热功率，实现大气边界层自下而上分层温度场的模拟。
2.根据权利要求1所述的一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置，其特征在于：所述各段间均采用可拆卸式连接。
3.根据权利要求1所述的一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置，其特征在于：所述收缩段(2)和扩散段(5)能根据需要更换不同变径比、曲率和长度。
4.根据权利要求1所述的一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置，其特征在于：所述大气边界层风场模拟段(3)包括实验段(4)前部的整流蜂网(7)和湍流发生装置(8)。
5.根据权利要求4所述的一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置，其特征在于：所述湍流发生装置(8)包括尖劈(9)和混凝土粗糙元(10)，尖劈(9)和混凝土粗糙元(10)的尺寸、数量、形状、排布方式均能按照实验要求改变，配合轴流风机(1)，实现不同风速、不同雷诺数的大气边界层风场模拟。
6.根据权利要求1所述的一种可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置，其特征在于：所述实验段(4)的四侧壁面均为可视化高透有机玻璃，实现满足多种可视化烟气扩散测量设备自扩散箱外部的非接触测量。
7.权利要求1至6任一项所述可视化可控大气边界层烟云扩散模拟装置的实验方法，其特征在于：首先通过可升降的平台(11)和万向旋转接头(12)调整烟气喷嘴(13)的位置和角度，使之满足实验要求；接着启动轴流风机(1)，调整大气边界层风场模拟段(3)中尖劈(9)和混凝土粗糙元(10)的数量和排布方式，使轴流风机(1)产生的风场在经过整流蜂网(7)和湍流发生装置(8)后达到指定实验工况要求；再接着启动实验段(4)上部的冷却水管(14)连接的风冷换热器(15)和下部的加热丝(16)连接的直流电源(17)，布置在实验段(4)出口处的多个空气温度计(18)将测量数据实时反馈给电控系统(19)，电控系统(19)通过调节实验段(4)上部的冷却水管(14)内的冷却水流量和下部的加热丝(16)的加热功率以调节实验段(4)内分层温度场使之达到指定实验工况要求；最后烟气喷嘴(13)喷入烟气，工作人员通过实验段(4)四侧的可视化高透有机玻璃对烟气扩散进行后续观测记录。
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