本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种寒区高速铁路隧道空气幕试验装置及试验方法。
背景技术：
在高海拔、高纬度地区修建的隧道数量不断增加，寒区隧道的冻害问题日益突出。据日本、挪威和中国的冻害统计资料显示，日本(1999年)全线3819座铁路隧道，发生冻害的隧道有2135座，占隧道总数的56％，冬季因冻害而危及行车安全的事件屡有发生；挪威(1990年)国内几乎所有的铁路隧道都出现了不同程度的衬砌开裂、挂冰及冰溜等冻害；中国(2014年)全线11516座铁路隧道，发生冻害的隧道有5990座，占隧道总数的52％，其中2937座发生严重冻害，占隧道总数的26％。
大量寒区铁路隧道建设和运营情况表明，低温引起的冻害普遍存在于既有铁路隧道中，这些冻害既对隧道结构造成严重破坏，同时也给铁路运营安全埋下重大安全隐患。铺设保温层是目前国内普遍采用的被动防寒保温措施，铺设保温层具有一定的适应范围，并不适用于所有的寒区隧道，研究新型节能主动保温措施成为未来寒区隧道保温工作的发展方向。
空气幕理论已经很成熟，并广泛的应用于超市、医院、车站、工业厂房大门、矿山和矿井中，目前在已建寒区隧道保温工作中，尚无利用空气幕保温方法的先例，其保温效果类似于防寒门，利用垂直方向的强风，减少隧道洞口处内部与外界之间的热交换，从而达到保持洞内温度的目的。空气幕保温方法与防寒门相比，其最大优点是不影响行车安全，管理简单，检修方便。
湍流系数α与射流几何尺寸有关，不能用计算公式求得，不同试验模型湍流系数不相同，必须通过多次精确的试验求得。现有空气幕相关模型试验大多是关于冷库大门、矿用巷道方面的，并不适用于寒区高速铁路隧道，构建合理的试验装置和试验方法，揭示寒区高铁隧道空气幕保温机理，为解决寒区隧道冻害问题提供试验数据和理论支持。
技术实现要素：
本发明为了解决现有技术中缺少相应的试验装置为解决寒区隧道冻害问题提供试验数据和理论支持，提供了一种寒区高速铁路隧道空气幕试验装置，该装置通过设置制冷室和围岩地温控制装置，模拟高速铁路隧道的外界温度和隧道地温，通过控制变量研究各参数对与空气幕阻隔效率和混合温度之间的关系。
本发明所采取的技术方案为：一种寒区高速铁路隧道空气幕试验装置，包括围岩形成的隧道10、用于阻隔隧道10洞内外空气流动的风幕机和用于控制所述隧道地温的围岩地温控制装置，所述围岩置于制冷室内，所述围岩地温控制装置包括存水空间和水泵，所述存水空间设置于所述隧道10外围，通过控制所述存水空间的水温控制所述隧道地温，通过控制所述制冷室温度控制所述隧道10外界温度，所述围岩内设有温度测试点，所述隧道10洞内设有风速测试点。
进一步的，所述温度测试点设置于所述隧道10的拱顶、左右拱腰和左右墙脚处的围岩内部。
进一步的，所述温度测试点沿所述隧道10轴向方向均匀分布。
进一步的，所述围岩由沙子、重晶石、凡士林和石膏混合而成。
进一步的，所述风幕机的喷口设置于隧道10口，远离所述风幕机的隧道10口安装有射流风机，所述射流风机为抽风式射流风机。
进一步的，所述制冷室内安装有摄像装置和照明装置，所述摄像装置用于记录试验进展。
本发明还提供了一种基于寒区高速铁路隧道空气幕试验装置的试验方法，包括以下步骤：
(1)通过调节制冷室和围岩地温控制装置，固定隧道10外界气温和隧道地温，
(2)采用控制变量法，固定风幕机的各参数，改变测试风幕机的喷口宽度，研究所述喷口宽度与空气幕阻隔效率之间的关系；
(3)按照步骤(2)依次研究其它参数与空气幕阻隔效率之间的关系。
进一步的，所述各参数包括空气幕的喷口角度、射流温度、射流速度、设置间隔和设置长度，所述设置间隔为空气幕管道喷口之间的间隔距离，所述设置长度是指空气幕管道喷口在隧道内设置的总长度。
进一步的，还包括步骤(4)拟合分析试验数据明确寒区高速铁路隧道10空气幕的湍流系数α、空气阻隔效率η和混合空气温度t1的试验值。
本发明所产生的有益效果包括：
(1)该试验系统的研究成果可以明确寒区高铁隧道空气幕的保温效率和湍流系数α、空气阻隔效率η和混合空气温度t1的试验值，以及开展主要参数之间影响关系的研究，将有助于解决寒区隧道冻害问题。
(2)铺设保温层具有一定的适应范围，并不适用于所有的寒区隧道，研究新型节能主动保温措施成为未来寒区隧道保温工作的发展方向，本试验装置和试验方法为空气幕保温理论的推广提供试验数据支持。
附图说明
图1为本发明的寒区高速铁路隧道的试验装置设计立体图；
图2为本发明的寒区高速铁路隧道的试验装置设计平面图；
图3为寒区高速铁路隧道的试验方法。
图中：1-风幕机控制装置、2、管道、3-照明灯、4-摄像装置、5-围岩地温控制装置、6-射流风机、7-温度测试点、8-风速测试点、9-制冷室、10-隧道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
如图1-2所示，一种寒区高速铁路隧道空气幕试验装置包括风幕机、照明灯2、摄像装置3、围岩地温控制装置4、射流风机5、温度测试点6、风速测试点7、制冷室8、隧道9等组成。由外向内依次为制冷室、围岩地温控制装置和隧道，隧道由围岩形成，为了模拟真实情况下的隧道地温，围岩地温控制装置包括存水空间和水泵，存水空间设置在围岩的外围，通过控制水温模拟隧道地温，隧道和围岩地温控制装置置于制冷室内，制冷室模拟真实情况下外界空气温度。
风幕机的风幕机控制装置1位于制冷室一端正上方，通过管道连接风幕机的喷口，喷口安装于隧道口，喷口喷出热空气幕阻隔隧道洞内空气流动，维持洞内温度，其连接示意如图1所示，其空气幕喷射气流的示意图如图3所示。
照明灯2位于制冷室正上方，提供照明功能。摄像装置3位于制冷室对角处，提供录像功能，便于及时了解试验进展。围岩地温控制装置4位于制冷室内，围岩的外围，其连接示意如图2所示，该装置通过水泵提供水压力，保证水不断循坏来维持水温，进而控制围岩温度即隧道地温。射流风机5位于隧道的另一端，采用抽风式射流风机。
温度测试点6位于围岩内，用于测试岩层内部温度，温度测试点设在隧道拱顶、左右拱腰和左右墙脚等处，沿隧道轴向方向每隔1米设置一个温度测试点，测试围岩内温度分布。
从隧道洞口向里每间隔1m设置一个风速测试点7，风速测试点7设在隧道左右墙脚处，测试隧道内风速分布。
隧道的长、宽、高分别为6m、2m、2m，形成隧道的围岩和衬砌材料由沙子、重晶石、凡士林和石膏按照一定配比混合而成。
风幕机1采用可制热的抽风式，风速的调节范围为1m/s～30m/s。摄像装置3可以实时监控试验的进展。围岩地温控制控制装置的温度范围为0℃～15℃。射流风机5采用抽风式射流风机，风速的调节范围为1m/s～30m/s。温度测试点6包括从隧道洞口向里每间隔1m布设在隧道拱顶、左右拱腰和左右墙脚等处，每处设置5个测点，这5个测点沿着隧道轴向布置，测试围岩纵向和径向温度分布。制冷室8的温度调节范围为0℃～-30℃。
按照寒区高速铁路隧道空气幕试验装置及其试验方法图3：首先调节制冷室8和围岩地温控制装置4，固定外界气温和围岩地温，采用控制变量法，调节风幕机1的喷口宽度、喷口角度、射流温度、射流速度、设置间隔和设置长度，采用温度测试点6和风速测试点7分别采集开启和关闭风幕机1时，围岩的温度和隧道洞内风速。然后，改变外界气温和围岩地温，重复上述试验过程，直到完成试验为止。
汇总试验数据，通过拟合分析试验数据可以明确寒区高速铁路隧道空气幕的湍流系数α、空气阻隔效率η和混合空气温度t1的试验值，以及研究空气幕喷口宽度、喷口角度、射流温度、射流速度、设置间隔和设置长度等参数与空气幕阻隔效率和混合温度之间的关系。
上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。