一种环境风洞模拟实验装置及其实验检测方法与流程

本发明涉及大气污染物迁移扩散规律技术领域，具体涉及一种环境风洞模拟实验装置及其实验检测方法。

背景技术：

风洞模拟实验是在风洞中再现全尺度的大气边界层流动及扩散现象的一种物理模拟方法，前提必须保证风洞模型和现场原型两个流动系统的相似性。其中试验段尺寸是风洞流体模拟能力(实现相似性)的决定性因素，它决定着模拟实验的相似性。试验段是安置模型进行实验的部位，试验段尺寸由高度、宽度和长度，试验段截面越大、长度越长，模拟的区域也就越大，模拟的大气边界层越真实，对模拟区域模型缩比处理效果越好。

对国内外大气环境风洞的调研结果表明，大气环境风洞的主要用途分为两大类，一是大气扩散与空气污染研究；二是风环境，建筑结构，风振、风载研究。在环境风洞的模拟能力方面，与国内环境风洞相比，国外环境风洞模拟能力显著提高，主要表现为具备干、湿沉积模拟的能力。国内外环境风洞的试验段截面尺寸普遍为宽1.5～6m、高1～4m，其中以加拿大西安大略大学(theuniversityofwesternontario)的环境风洞最具有代表性，该环境风洞为双试验段，低速试验段截面为宽4.8m、高3.3m，高速试验段截面为宽3.3m、高2.1m。

根据核设施释放放射性污染物对周围环境影响研究的常规要求，对区域性的影响研究一般要求模拟区半径范围为10km。根据相似理论，风洞模型缩比应不高于1:5000，现有国内风洞试验段截面为1.5m×1m，考虑边壁效应之后，可模拟的区域最大半径范围为2.5km，不能很好地同时满足区域性影响研究对模型缩比和模拟区域范围的要求。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种环境风洞模拟实验装置及其实验检测方法，该环境风洞模拟实验装置及其实验方法和检测方法能够有效模拟大气边界层风洞能够完成污染污染物在大气中的迁移扩散模拟研究，同时还具备干湿沉积模拟功能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种环境风洞模拟实验装置，包括有风洞和设置在所述风洞内的移测架，所述风洞包括有依次相连的收集器、动力段、大角扩散段、稳定段、收缩段、试验段、扩散段以及出口扩散段，其中所述收集器设置在整个风洞的入口处，用于保证气流可以光滑顺利的进入到后续所述动力段中，所述大角扩算段设置在所述动力段和稳定段之间，用于保证所述动力段中的气流到所述稳定段之间的稳定过渡，所述试验段中的风速范围控制在0.2m/s-20m/s，其中试验时用于产生微风的风速范围控制在0.5m/s-5m/s，用于产生中风的风速范围控制在5m/s-20m/s；所述试验段的长宽高尺寸采用可模拟全尺度大气边界层要求的28m*5m*3.5m设计尺寸，整个所述风洞的洞体总长为71.1m，其中所述风洞为直流吹气式风洞构型。

进一步，所述移测架包括有沿所述风洞轴向移动的x向移动机构、沿所述风洞水平方向移动的y向移动机构以及沿所述风洞竖直方向移动的z向移动机构，其中所述x向移动机构与所述风洞内壁构成沿风洞轴向移动的x向滑动连接，所述y向移动机构滑动安装在所述x向移动机构上并与其构成沿水平方向的滑动连接，所述z向移动机构滑动安装在所述y向移动机构上并与其构成竖直方向的滑动连接。

进一步，所述收集器其进口端的截面形状为采用按四分之一的圆弧的设计结构。

进一步，所述动力段其进口处安装有一层防止杂物进入的防护网。

进一步，所述稳定段内腔安装有蜂窝器。

进一步，所述稳定段其内腔还设置有三层阻尼网。

进一步，所述扩散段其面积比为二，其扩散角小于6°。

进一步，所述z向移动机构由导轨丝杠组合单元和升降机两部分串联而成，其中所述导轨丝杠组合单元通过设置有的导轨丝杠吊架安装在所述y向移动机构底端面上，所述导轨丝杠吊架在电机的驱动下可进竖直方向的滑动移动，所述升降机固通过设置有的升降机托架固定安装在所述导轨丝杠组合单元上。

同时，本方案还提供一种依据上述环境风洞模拟实验装置的实验方法，该实验方法包括以下步骤：

s1、依据相似理论，将待研究的目标做成对应的模型，并放入到环境风洞模拟试验段中；

s2、在试验段中，产生按照目标实际条件状态下的风分布环境；

s3、监测模型在上述步骤s2风分布环境中的流动和扩散特征。

此外本方案还提供一种依据上述环境风洞模拟实验装置中风洞性能指标的检测方法，该检测方法包括对风洞内流速稳定性检测、风洞内气流均匀性检测以及风洞内气流紊流度检测，

其中，流速稳定性检测方法为：将热线风速仪安装在所选试验段截面中心，控制电机转速，使流速稳定在某一选定流速，流速稳定后每隔5秒进行数据采集，测试时间为一分钟，每种流速下测三次，将每种流速下三次测得的稳定性系数计算出算术平均值，为所测风洞该流速下的稳定性系数；数据处理公式如下：

为稳定性系数；为某次测试中第个瞬时流速值，单位为m/s；为某次测试一分钟内的平均流速值，单位为m/s；

气流均匀性检测方法为：气流均匀性校测主要是获取试验段内不同截面上的均匀性系数，检测中，在试验段的不同位置处截取n个截面，在所选取的截面处利用热线风速仪安装在移测架上利用移测架进行移动测量,得到该截面处的风速vi；气流均匀性数据处理公式如下：

紊流度的检测方法为：

将热线风速仪安装在所选某一测点上，调整热线风速仪，使流速为零时输出紊流度值为零。控制电机转速，使试验段流速稳定在某一选定流速，流速稳定后采集对应的紊流度值，然后移到下一测点，数据处理公式如下：

其中：

εi为紊流度；

e0为零风速下输出的电压值，单位为v；

为输出电压的平均值，单位为v；

ei为测点电压值，单位为v。

与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案中风洞通过采用由收集器、动力段、大角扩散段、稳定段、收缩段、试验段、扩散段及出口扩散段等部分组成，其中风洞通体的截面尺寸的设计选择、风洞洞体内动力系统的设计(即试验段内风速的选择和控制)以及洞体之间各段之间的衔接布局，都能够保证风洞其具备模拟全尺度大气边界层的模拟要求，同时风洞内的各段之间布局以及动力系统的选择使其能够具有干湿沉积模拟功能，可模拟大气边界层流动与扩散；风洞设施的试验段截面尺寸、模拟能力和测量技术达到世界同类设施的先进水平；在此基础上，本方案中的上述环境风洞能够完成污染污染物在大气中的迁移扩散模拟研究：大缩比模型的风洞模拟、复杂地形影响、中尺度背风坡的模拟研究，降雨、降雪对污染物的扩散的影响研究，气溶胶沉积与再悬浮特性研究，城市区域污染物迁移扩散规律的研究等；可完成污染物在大气边界层中传输扩散以气溶胶干湿沉积研究；可模拟和测量大气边界层、能够测量空间温度场、湿度场、浓度场、风洞空间流场等；能够完成风洞的自动清洗并配置、试验模型的电装卸设备以减小人工劳动强度；利用计算机集散控制系统实现风洞试验的现场管理、数据采集处理；通过视频子系统对实验过程进行全程监控，最终完成气态流出物在大气边界层中的传输扩散以及气溶胶干湿沉积研究。

附图说明

图1为本发明中环境风洞模拟实验装置结构示意图。

图2为本发明中移测架机构示意图。

图3为本发明中移测架上的x向移动机构结构示意图。

图4为本发明中移测架上的y向移动机构结构示意图。

图5为本发明中移测架上的z向移动机构结构示意图。

图6为本发明中试验段其上进行测量的截面位置分布图。

图7为本发明中试验段其上进行气流均匀性测试时截面测点位置分布示意图。

图中：

1-收集器，2-动力段，3-大角扩散段，4-稳定段，5-收缩段，6-试验段，7-扩散段，8-出口扩散段，9-x向移动机构，10-y向移动机构，11-z向移动机构。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本方案是针对现有的风洞实验装置其不能很好地同时满足区域性影响研究对模型缩比和模拟区域范围的要求的问题，进而提出的一种环境风洞模拟实验装置及其实验方法和检测方法，该环境风洞模拟实验装置及其实验方法和检测方法能够有效模拟大气边界层风洞能够完成污染污染物在大气中的迁移扩散模拟研究，同时还具备干湿沉积模拟功能。

参见附图1所示，本方案首先提供一种环境风洞模拟实验装置，该实验装置其包括有风洞和设置在该风洞内的移测架，风洞包括有依次相连的收集器1、动力段2、大角扩散段3、稳定段4、收缩段5、试验段6、扩散段7以及出口扩散段8，其中收集器1设置在整个风洞的入口处，用于保证气流可以光滑顺利的进入到后续动力段2中，大角扩算段3设置在动力段和2稳定段4之间，用于保证动力段2中的气流到稳定段4之间的稳定过渡，试验段6中的风速范围控制在0.2m/s-20m/s，其中试验时用于产生微风的风速范围控制在0.5m/s-5m/s，用于产生中风的风速范围控制在5m/s-20m/s；试验段6的长宽高尺寸采用可模拟全尺度大气边界层要求的28m*5m*3.5m设计尺寸整个风洞的洞体总长为71.1m，其中风洞为直流吹气式风洞构型，其中由于本方案中的上述风洞为采用直流吹气式风洞结构，因此在实际的风洞模拟实验过程中能够防止示踪剂(气溶胶等)的回流所造成的影响。

为保证动力段2的入流品质，在其前设置收集器1，以使使得进入的气流光滑无分离地进入动力段2。为了更好的进一步使得进入的气流能够顺利光滑的进入，本方案中的收集器1其进口端的截面形状为采用按四分之一的圆弧的设计结构；此外为了防止吸入杂物打坏风扇，在动力段2入口处安装一层防护网。

动力段2其内主要分布有风扇系统，风扇系统包括有风扇桨叶、整流罩、止旋片和电机等，主要设计参数为轮毂直径比、升力系数、风扇桨叶数目及形状、止旋片数目及形状、整流罩长细比和整流罩外形等。

为了实现动力段2到稳定段4的平稳过渡，并使动力段2和稳定段4内具有相对合适的流速，在动力段2和稳定段4之间采用大角扩散段3的形式。

稳定段4对气流起稳定作用，为收缩段5提高品质良好的入流条件，也对试验段6气流品质的好坏有直接影响。为了降低湍流度并防止气流在入口处分离，在稳定段4内安装蜂窝器，并在稳定段4中采用三层阻尼网以降低气流湍流度，稳定段4由等直管道、蜂窝器和阻尼网组成。

收缩段5对气流起加速作用，同时能够降低气流的纵向和横向湍流度。收缩段5出口的流动对试验段6流场有很多影响，一般要求收缩段5出口气流均匀性、稳定性要好，附面层尽可能薄且不发生分离。收缩段5性能主要由收缩比、收缩曲线等参数决定。

试验段6前端经过收集器1、动力段2、大角扩散段3、稳定段4、收缩段5，形成高品质的气流，经过三层整流之后，气流达到均匀、稳定。风洞实验是在试验段6中开展的，所以，试验段6的形状是标准长方体构造，保证气流品质，在实际模式实验时，试验段6空风洞最大设计风速为20m/s。

扩散段7对气流起减速作用，将动压能转换为静压能，减小能量损失并为动力段2提供速度合适的流动均匀的入流。一般来说，扩散段7引起的能量损失比较大，其性能主要由面积比、扩散角和扩散曲线决定。能量损失主要由摩擦损失和局部压力损失两部分组成，研究表明，面积比在二左右、扩散角小于6°对减小总的损失较为有利。

出口扩散段8对气流起进一步减速作用并将气流导向大气。对于直流风洞出口损失也是较为重要的一部分损失，出口面积适当增大对减小出口损失是有利的。

再结合附图2至5所示，本方案中的移测架主要包括三维移动机构和其控制系统。移测架为风洞实验必备的辅助设备，移测架安装于风洞试验段6内。

移测架其主要的功能为：

移测架上可安装测量仪器或试验模型，使其在试验段6完成三自由度运动，即沿风洞轴向(x向)、试验段6横截面竖直方向(z向)、试验段6横截面水平方向(y向)的移动。

本实施例中的上述移测架定位精度x向±3mm、y向±3mm、z向±1mm，移测范围x向27m、y向4.5m、z向3.0m。移测架整体布置在风洞试验段6内，x向、y向、z向的运动机构依次串联。具体而言，为了使得整个移测架具备三维方向的移动能力，本方案中的移测架包括有沿风洞轴向移动的x向移动机构9、沿风洞水平方向移动的y向移动机构10以及沿风洞竖直方向移动的z向移动机构11，其中x向移动机构9与风洞内壁构成沿风洞轴向移动的x向滑动连接，y向移动机构10滑动安装在x向移动机构9上并与其构成沿水平方向的滑动连接，z向移动机构11滑动安装在y向移动机构10上并与其构成竖直方向的滑动连接。

其中，x向移动机构9是整个机构的基座部件，其刚性、运动平稳性及频率对整个机构都有重要影响。x向移动机构9由导轨安装座、齿条安装座、齿条、齿轮、齿轮轴、电机减速器系统、x-y运动平台、直线导轨滑块等组成。导轨安装座和齿条安装座的结构形式基本一致，分别固定在风洞侧壁上部，采用型钢拼接而成。由于x向长度较长，x向移动机构9采用齿轮齿条机构形式，其优点是功率和速度范围大，通用性强，工作可靠，效率高，易于制造和精确加工。齿条安装在齿条安装座的侧沿。直线导轨安装在导轨安装座上，滑块可沿导轨在x向滑动，共有两只滑块，沿同一条导轨滑动。滑块上安装x-y运动平台，x-y运动平台的另一侧安装两只滚轮，滚轮在齿条安装座的上表面滚动。电机减速器系统安装在x-y运动平台上，通过齿轮轴将扭矩传递给齿轮，齿轮与齿条啮合，带动x-y运动平台在x向运动。

y向移动机构10全部安装在x-y运动平台上，包括直线导轨滑块、y向支撑架、齿条、齿轮、电机减速器系统等部分。直线导轨安装在x-y运动平台上，长度几乎贯通整个风洞宽度，两只滑块沿导轨在y向滑动。滑块上安装y向支撑架，与滑块一同运动。y向支撑架的另一侧安装两只滚轮，滚轮在x-y运动平台上滚动。y向支撑架上安装电机减速器系统，通过齿轮轴将扭矩传递给齿轮，齿轮与安装在y向支撑架侧沿的齿条啮合，带动y向支撑架在y向运动。

z向移动机构11安装在y向支撑架上，包括导轨丝杠组合单元、升降机、导轨丝杠吊架、升降机托架、电机等部分。考虑到避免与试验段6底部的模型相干涉，又能满足试验段6底部的测量需求和z向完整的移测范围，因此将z向机构分为导轨丝杠组合单元和升降机两部分串联而成。导轨丝杠组合单元同时提供了直线导轨和丝杠的功能，并且可以与电机直接相连而不需要减速器，具有体积小重量轻、高精度、高刚性等特点。导轨丝杠组合单元通过导轨丝杠吊架安装在y向支撑架的下方。导轨丝杠组合单元包含一只滑块，可在电机的驱动下沿z向运动。升降机托架安装在滑块上，升降机安装在升降机托架上。升降机是丝杠螺母机构和蜗杆减速器的组合体，在电机驱动下可使螺母在丝杠上做z向运动。

在z向移动机构11升降机的接头处可选择安装水平或垂直测压耙，以及单点测量探针等，通过更换不同的测量仪器，满足多种测量任务的要求。

此外，本方案还提供一种依据上述环境风洞模拟实验装置的实验方法，该实验方法包括以下步骤：

s1、依据相似理论，将待研究的目标做成对应的模型，并放入到环境风洞模拟试验段中；

即对于某一研究厂址，根据相似理论，按照几何缩比将现场几公里～几十公里范围做成模型，放入试验段中；

s2、在试验段中，产生按照目标实际条件状态下的风分布环境；

s3、监测模型在上述步骤s2风分布环境中的流动和扩散特征，即通过用各种流场测量仪器、示踪实验方式、流动显示技术来研究污染物的流动和扩散特征。

实际操作时，其步骤为：

风洞使用前，按照风洞洞体内外、变频器间、传感器、主控室的顺序对设备进行逐一检查；

进入风洞时，操作者须穿戴鞋套，检查洞体内有无灰尘杂质，使用吸尘器等清扫工具对试验段内进行全面清理；

按试验要求将被测模型安放在风洞试验段内后，进行试验准备工作；确认风洞内无其他杂物或工具遗留和人员后，方可将试验段门锁紧，准备进行试验；

洞内准备完毕后，到变频间检查动力系统，包括690v开关柜、plc控制柜、变频器柜等设备；确保plc柜380v断路器的接线端无短路或线路端口，可对plc控制柜进行上电；

变频间的设备上电顺序必须按照：plc控制柜→变频器柜→高压柜的顺序进行，使包括plc柜、变频器柜在内的控制系统380vac先上电，待变频器柜通过自检后，戴绝缘手套对高压柜进行合闸；

变频间低高压成功上电后，在plc柜门上会观察到准备就绪指示灯亮起，代表动力系统设备进入可运行的正常状态；

动力系统准备就绪后，对传感器等设备进行检测，确定风洞内无人员滞留，一切正常后方可进行后续工作；

在主控室对操作台内设备进行检查，确保操作台内测量采集系统的接线板无杂质碎屑裸线等，避免短路发生；

打开风洞主控程序，打开散热风机，准备进行试验；

给定变频器频率指令，启动变频器，则风洞开始起车运行。密切关注操作界面的动力系统的状态，包括电压、电流、功率、电机温度等，观察试验段的当前风速，微调频率对风速进行校正；

风洞起车运行期间，控制系统自动检测相关参数是否达到报警或故障状态，如有故障发生控制系统会自动强制停车，给出报警故障点状态，电机温度超过80℃时，电机会出现过热报警，待散热冷却将温度将为合理值，可再次启动。在任何情况下，操作者可通过操作台的急停按钮切断主动力电源，使设备停止运行；

风洞实验包括流场采样与测量、浓度场采样与测量、气溶胶干湿沉积模拟。湿沉积模拟系统可实现人工降雨模拟等功能；

本风洞使用风机等实现本底风速的调节，利用尖劈和粗糙元实现指定的大气边界层试验要求速度廓线的调节；

试验完毕后，在软件界面使用启停按钮，停车结束试验。试验结束后，关闭散热风机，则动力系统全部停止；

退出主控软件，关闭计算机，对控制台进行下电，到变频间戴绝缘手套断开动力电，断开变频器，断开plc控制柜，则测控系统下电。

此外，本方案还提供一种环境风洞模拟实验装置中风洞性能指标的检测方法，该检测方法包括对风洞内流速稳定性检测、风洞内气流均匀性检测以及风洞内气流紊流度检测，

其中，流速稳定性检测方法为：将热线风速仪安装在所选试验段截面中心，控制电机转速，使流速稳定在某一选定流速，流速稳定后每隔5秒进行数据采集，测试时间为一分钟，每种流速下测三次，将每种流速下三次测得的稳定性系数计算出算术平均值，为所测风洞该流速下的稳定性系数；数据处理公式如下：

为稳定性系数；为某次测试中第个瞬时流速值，单位为m/s；为某次测试一分钟内的平均流速值，单位为m/s。

参见表一所示，

表一

表一为在风速0.5、1和2m/s下各在1分钟内连续采集热线风速仪风速12次；重复三次试验，从附表1给出不同截面流速稳定性结果，从结果可以看出风速0.5、1和2m/s的流速稳定性系数＜1，满足技术指标要求。

气流均匀性校测主要是获取试验段内不同截面上的均匀性系数。

校测中，测量距试验段入口11.7m的截面0，距试验段入口18.6m的截面1(转盘中心)和距试验段入口23.1m的截面2，共三个截面。将热线风速仪安装在移测架上利用移测架进行移动测量，在风速0.5、1、2、5和10m/s下测量3个x向位置，各截面位置及各截面测点布置见附图6和附图7：

气流均匀性数据处理公式如下：

测试结果表明，风速1m/s，流速均匀性系数μ＜1％，满足技术要求。0.5m/s风速流速均匀性系数基本满足技术要求。

紊流度

将热线风速仪安装在所选某一测点上，调整热线风速仪，使流速为零时输出紊流度值为零。控制电机转速，使试验段流速稳定在某一选定流速，流速稳定后采集对应的紊流度值，然后移到下一测点：

校测中，在风速0.5和1m/s的条件下测量。测量截面同气流均匀性。

数据处理公式如下：

其中：

εi为紊流度；

e0为零风速下输出的电压值，单位为v；

为输出电压的平均值，单位为v；

ei为测点电压值，单位为v；

测试结果表明，风速1m/s，紊流度＜0.5％，满足技术要求。

气流偏角

将二维热线风速仪探头安装在风洞中心点，测量时采集0.5和1两个风速下的水平气流偏角。

测试结果表明，0.5和1m/s条件下各截面水平气流偏角均满足技术要求。

综上所述，本方案中的环境风洞能够完成污染污染物在大气中的迁移扩散模拟研究：大缩比模型的风洞模拟、复杂地形影响、中尺度背风坡的模拟研究，降雨、降雪对污染物的扩散的影响研究，气溶胶沉积与再悬浮特性研究，城市区域污染物迁移扩散规律的研究等；可完成污染物在大气边界层中传输扩散以气溶胶干湿沉积研究；可模拟和测量大气边界层、能够测量空间温度场、湿度场、浓度场、风洞空间流场等；能够完成风洞的自动清洗并配置、试验模型的电装卸设备以减小人工劳动强度；利用计算机集散控制系统实现风洞试验的现场管理、数据采集处理；通过视频子系统对实验过程进行全程监控，最终完成气态流出物在大气边界层中的传输扩散以及气溶胶干湿沉积研究。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。