[发明专利]一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞

说明书

技术领域

本发明涉及一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，可用于建筑结构工程领域大跨度空间结构受考虑降雪过程的风雪两相流耦合作用的模拟和大跨度空间结构屋盖及其四周风致积雪漂移的模拟。

背景技术

以全球变暖为主要特征的气候变化导致50年甚至100年一遇的强风、暴雪等极端灾害天气频繁出现，造成风雪耦合作用荷载极值强度加大。另一方面，大跨度空间结构向轻量化、长大化、体型复杂化、屋面材料透明化等方向发展，导致其对于风雪荷载作用更加敏感。近年来，风雪荷载耦合作用和由此引起的屋盖积雪荷载不均匀分布导致大跨度空间结构坍塌事故时有发生，造成了严重的人员伤亡、经济损失以及恶劣的社会影响。从上世纪90年代开始，美国、日本等发达国家率先开展了之相关的风雪耦合作用、风致积雪漂移的研究。目前，我国一些高校和科研机构也逐步开展了此方面的研究。其中，风洞试验是进行这一领域研究的重要方法之一。风洞试验通过模型与原型之间的相似关系，使风雪运动在条件可控的实验室中得到重现。同时，在实验室中可设定不同的参数，有利于揭示物理量之间内在的变化规律。我国目前所进行的风雪运动试验研究主要采用采用两种方法，一种方法是用模拟介质来代替雪粒在常规风洞中进行试验。但由于雪粒直径较小，重量较轻，很难找到满足各种相似准则的合适介质，因此需要对相似准则进行选择性的取舍，导致试验条件与实际风雪运动条件相似度低，而且这种试验方法通常难以模拟风雪运动受降雪过程的影响，使得风洞试验的结果和实际观测结果相去甚远。另一种方法是采用能生成冰晶颗粒流动气体的大型冰风洞实验室进行试验。大型冰风洞实验室采用大型制冷设备生成低温气体，从而使气动喷嘴喷出的水颗粒转化为冰颗粒。但是此类冰风洞造价昂贵，运行和维护费用也十分高昂，所配备的大型制冷和雾化设备功率极大，导致冰风洞试验成为费用、能源均消耗很大的试验项目，一般多用于生产性试验，通常的科研试验难以承担。而且大型冰风洞试验周期较长，为了达到所需的风雪运动环境通常需要数天时间，这进一步加大了进行科研试验的时间成本。

综上，研发一种能较准确模拟考虑实际降雪过程的风雪运动环境，同时能够降低能源消耗、提高试验效率的风洞极有必要。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，该风洞能较准确地进行大跨度空间结构受考虑实际降雪过程的风雪运动作用的模拟，同时相比于现有大型冰风洞，具有试验能耗低、效率高、构造简单、造价低、运行和维护费用低的优点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种能模拟降雪过程的低能耗高效风洞，该风洞采用开口直流式，包括依次连接的进气口、动力段、扩散段、稳定段、制冷段、水雾生成段和试验段；在所述动力段内安装有风机；在所述制冷段内设有液氮喷头，所述液氮喷头通过液氮管路与液氮源连接构成液氮制冷系统；在所述水雾生成段内的上部设有雾化气动喷嘴，所述雾化气动喷嘴设有进气口和进水口，所述进气口通过压力气体管路与压力气源连接，所述进水口通过压力水管路与压力水源连接；在所述雾化气动喷嘴的下方设有分流板，所述分流板位于所述水雾生成段内的中上部，所述分流板的中部两侧均设有与所述水雾生成段的侧壁铰接的销轴，所述分流板的前后部两侧均设有与所述水雾生成段的侧壁插接的定位销。

在所述压力水管路上设置有保温加热设备。

在所述水雾生成段的出口处设有温度和流量测量装置。

在所述压力水源的出口处安装有压力水源阀门。

在所述压力气源的出口处安装有压力气源阀门。

在所述液氮源的出口处安装有液氮源阀门。

所述液氮源由杜瓦瓶及储存在其中的液氮组成。

本发明具有的优点和积极效果是：在试验段之前阶段，通过设置液氮制冷段，利用液氮进行制冷，产生生成雪颗粒所需的低温气体，将水雾生成段生成的水雾转化为冰晶，形成风雪流，经过分流板导流，从试验段上部洒落从而形成降雪环境，可在短时间内实现考虑降雪过程的风雪运动环境的模拟，能够很大程度地减少制冷所需的能源消耗，达到环保节能、提高效率的效果。并且本发明通过采用开口直流式结构，能够有效避免雪颗粒回流可能造成的动力段内风机设备、各种测量设备以及管线的损伤。同时，由于雪颗粒是在进入试验段之前生成的，对于风洞大部分阶段没有影响，试验中只需注重对于水雾生成段和试验段的养护即可。本发明可以在常规开口直流风洞基础上加装制冷段、水雾生成段和相应配套设施改造而成。相比于大型冰风洞，本发明具有试验能耗低、效率高、构造简单、造价低、运行和维护费用低的优点。

附图说明