专利名称：一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法
技术领域：
本发明涉及一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，属于空气热环境研究技术领域。
背景技术：
在科学研究和工程实践中，某空间内气流组织的速度和温度分布和变化规律多为关注和研究的对象。由于气流运动具有复杂性，受现场影响因素较多且测量仪器布点与精度的限制，现场实测的研究方法往往很难全面反映气流本质特征，且不方便变工况变化规律的探讨。理论建模和数值模拟等研究手段多倚赖于其他研究方法的验证，且数值模拟研究方法受限于边界条件的输入。因此，搭建缩尺模型试验来再现复杂物理现象被认为是一种科学并方便工况调节的研究方法。常规的气体缩尺模型试验，由于空气比水的粘滞系数高出一个数量级，因此为满足模型与原型的相似性和获得相近的实验结论，空气的实验装 置与液体实验装置相比，需占用较大空间；同时由于过小尺寸气流与原尺寸射流之间的规律往往存在一定差距，为了保证原型气流的规律在模型试验中成立，气体模型试验的比例尺不能过小。这就导致气体模型实验装置尺寸较大、不方便测量，且其中设备性能要求较闻。研究表明由于液体水和空气的变化规律均满足相同的运动控制方程，因此采用液体变化规律来反映原型空气速度和温度变化规律的研究方法具有可行性。由于水的粘滞系数高，用液体来模拟气体变化的研究方法，将节省试验台空间尺寸，且方便测量、便于显示流体运动变化规律，是一项紧迫而有价值的工作。
发明内容
本发明涉及用液体模拟气体速度和温度变化的方法，它克服了采用现场实测方法研究气体热环境过程中不可控的影响因素较多、变工况较难实现的不足，也避免了气体缩尺模型试验占用空间过大、初投资较高和测试困难的缺点。本发明运用科学合理的液体缩尺模型实验研究方法，可以较好的再现原气体模型空气复杂运动及相互作用的规律，同时占地省、实验系统初投资低，可通过改变相应参数调节不同工况，数据采集方便，且可通过染色剂显示流线流态特征。本发明技术方案是这样实现的I、一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，建立液体缩尺模型，模拟空气的气体速度和温度变化，其特征在于包括下述三方面①建立液体缩尺模型在满足液体缩尺模型与原型几何相似、运动相似的前提下，根据对流动起主要作用的力确定液体缩尺模型与原型动力相似需满足的主要相似准则，来确定水流速度，以反映空气流动的速度变化特性(A)；②对于非等温射流，主要表现在重力和浮力的不平衡，在满足阿基米德准则相似的前提下，通过改变盐水浓度模拟非等温空气送风的不同温度，即用盐水与清水的密度差模拟不同温度空气的密度差(B)；③通过在水中加入染色剂获得流动流线分布规律(C)；液体模型试验基于具体确定的速度场和温度场的相似准则及相应比例尺，通过液体流速测试仪获得液体流速后，得到原型气体速度数值和方向的变化规律；通过电导率仪测得盐水密度后，获得气流温度场数值的变化规律。a、所述的几何相似所设计的液体缩尺模型与原型相应部件的长、宽、高或直径满足相同的几何比例尺，从而确定液体缩尺模型的试验台各个部件的定型和定位尺寸；b、所述的运动相似冷空气在室内运动的控制方程组与冷水在清水中运动的控制方程组相同，保证空气和水两种介质的运动相似；C、所述动力相似对流动起决定作用的力保持液体缩尺模型与原型动力相似准则数相等，从而确定液体缩尺模型的试验台中液体的流速、流量反映真实气体的流速、流量； 确定液体缩尺模型试验台中盐水的浓度来反映气体的温度。动力相似准则数的确定分如下几种情况实现d、当对流动起决定作用的力为重力时，主要考虑原型与液体缩尺模型的弗诺得数相等，即Frn=Frm其中字符η代表原型，字符m代表液体缩尺模型；e、当粘滞力对流动起主要作用时，重点考虑原型与模型的雷诺数相等，SPRen=Rem当考虑粘滞力占主要影响因素的雷诺准则形似时，速度场需保证雷诺数相等或流动处于自模区即可；f、当压力或弹性力为对流动产生决定作用的力时，重点考虑欧拉数，SPEun=Eum 和马赫数即 Mn=Mm上述等式中各个参数的定义及含义如下弗诺得数Fr=v2/gl ；雷诺数Re=Vl/Y ；欧拉数Eu= Δ p/ P V2 ；马赫数M=v/a上述各式中，V —速度,m/s ；g 一重力加速度,m/s2 ；1 一定型尺寸； Y-动力粘滞系数，m2/s；Ap-压差，Pa ；a~ 声速，m/s。所述动力相似准则数的确定主要体现在阿基米德准则数相等，Arn=Arm,即[(gd。/V02)( Δ T0/Tu) ] n= [ (gd。/V02) (Δ P /p )]m ；上式中，g-重力加速度，m/s2 ；d0-喷口直径,m ；v0-射流速度，m/s ；Δ T0-流体温度与外界温度之差，K ；TU-环境的绝对温度，K ；Δ P -流体密度与环境密度差，kg/m3 ； P -流体密度，kg/m3。通过调节模型试验中盐水的不同密度P来反映空调送风非等温射流的不同温度。所述染色剂为胭脂色食品添加剂或着色剂，染色深度以清晰观察液体的运动状况为准。
本发明通过液体缩尺模型中水流速度和盐水浓度的变化来反映气体原型速度场和温度场的变化特性，具有应有的广泛性，适用于多种工况下空间内空气速度场和温度场等热环境规律的实验研究，通过染色剂显示流动流线与流态，能较好显现研究对象速度场变化规律，直观准确。相比于气体模型试验台，以此研究方法为基础的液体模型实验装置尺寸节省，系统初投资较低，方便数据采集和工况调整。本发明方法在室内热环境研究领域是一种具有优越性的有潜力的方法。
图I为采用液体模拟地铁活塞风与站台喷口送风两股等温射流耦合速度变化的模型实验装置示意图；图2为采用液体模拟地铁活塞风与站台空调送风两股非等温射流耦合温度速度变化的模型实验装置示意图。
A :模型活塞风部分B :模型送风射流部分C :模型站台部分I.阀门一，2.转子流量计，3.电动调节阀，4.阀门二，5.水泵，6.储水箱一，7.水泵，8.阀门三，9.转子流量计，10.模型活塞风送风口一，11、模型活塞风送风口二，12、模型活塞风送风口三，13、模型活塞风送风口四，14.溢水口，15.回水口，16.储水箱二。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。实施例I :用液体模拟气体速度变化的方法一地铁车站活塞风与站台喷口送风的等温耦合以上海南京西路地铁车站站台层为原型，原型与液体缩尺模型几何尺寸对应见表
I。经分析计算，为满足原型与此液体缩尺模型试验台运动相似，只需在动力相似中满足雷诺数相等或模型中流动处于自模区。表2为保持活塞风风速不变，调整送风射流风速对应的模型水流速与流量值；表3为保持送风射流速度不变，调整活塞风风速对应的模型水流速与流量值。表I站台原型与模型装置几何尺寸对应表
权利要求
1.一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，建立液体缩尺模型，模拟空气的气体速度和温度变化，其特征在于包括下述三方面 ①建立液体缩尺模型在满足液体缩尺模型与原型几何相似、运动相似的前提下，根据对流动起主要作用的力确定液体缩尺模型与原型动力相似需满足的主要相似准则，来确定水流速度，以反映空气流动的速度变化特性(A)； ②对于非等温射流，主要表现在重力和浮力的不平衡，在满足阿基米德准则相似的前提下，通过改变盐水浓度模拟非等温空气送风的不同温度，即用盐水与清水的密度差模拟不同温度空气的密度差(B)； ③通过在水中加入染色剂获得流动流线分布规律(C)； 液体模型试验基于具体确定的速度场和温度场的相似准则及相应比例尺，通过液体流速测试仪获得液体流速后，得到原型气体速度数值和方向的变化规律；通过电导率仪测得盐水密度后，获得气流温度场数值的变化规律。
2.根据权利要求I所述的一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，其特征在于 a、所述的几何相似所设计的液体缩尺模型与原型相应部件的长、宽、高或直径满足相同的几何比例尺，从而确定液体缩尺模型的试验台各个部件的定型和定位尺寸； b、所述的运动相似冷空气在室内运动的控制方程组与冷水在清水中运动的控制方程组相同，保证空气和水两种介质的运动相似； C、所述动力相似对流动起决定作用的力保持液体缩尺模型与原型动力相似准则数相等，从而确定液体缩尺模型的试验台中液体的流速、流量反映真实气体的流速、流量；确定液体缩尺模型试验台中盐水的浓度来反映气体的温度。
3.根据权利要求2所述的一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，其特征在于权利要求2c中动力相似准则数的确定分如下几种情况实现 d、当对流动起决定作用的力为重力时，主要考虑原型与液体缩尺模型的弗诺得数相坐寸， 即 Frn=Frni 其中字符n代表原型，字符m代表液体缩尺模型； e、当粘滞力对流动起主要作用时，重点考虑原型与模型的雷诺数相等，即Ren=Rem 当考虑粘滞力占主要影响因素的雷诺准则形似时，速度场需保证雷诺数相等或流动处于自模区即可； f、当压力或弹性力为对流动产生决定作用的力时，重点考虑欧拉数，即 Eun=Eum和马赫数即Mn=Mm 上述等式中各个参数的定义及含义如下 弗诺得数Fr=v2/gl ； 雷诺数Re=Vl/Y ；欧拉数 Eu= A p/ p V2 ； 马赫数M=v/a 上述各式中，V —速度，m/s ；g 一重力加速度，m/s2 ；1 一定型尺寸，m ; Y -动力粘滞系数，m2/s；Ap-压差，Pa ；a-声速，m/s。
4.根据权利要求2所述的一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，其特征在于2c中所述动力相似准则数的确定主要体现在阿基米德准则数相等，Arn=Arffl, 即[(gd0/v02) ( A T0/Tu) ] n= [ (gd0/v02) (A p/p)]ffl； 上式中，g-重力加速度，m/s2 ；d0-喷口直径，m ；v0-射流速度，m/s ； A T0-流体温度与外界温度之差，K ；TU-环境的绝对温度，K ； Ap-流体密度与环境密度差，kg/m3 ； P -流体密度，kg/m3。
通过调节模型试验中盐水的不同密度P来反映空调送风非等温射流的不同温度。
5.根据权利要求I所述的一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，其特征在于染色剂为胭脂色食品添加剂或着色剂，染色深度以清晰观察液体的运动状况为准。
全文摘要
一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，液体缩尺模型与原型几何相似、运动相似的前提下，根据对流动起主要作用的力确定动力相似需满足的主要相似准则来确定水流速度，以模拟空气流动的速度变化特性；对于非等温射流，主要表现在重力和浮力的不平衡，在满足阿基米德准则相似的前提下，通过改变盐水浓度，用盐水与清水的密度差模拟不同温度空气的密度差；通过在水中加入染色剂获得流动流线分布规律；液体缩尺模型基于具体确定的速度场和温度场的相似准则及相应比例尺，通过液体流速得到原型气体速度数值和方向的变化规律；通过测得盐水密度，获得气流温度场数值的变化规律。本发明能较好显现实际速度温度场变化规律，直观准确，适用于多种工况。
文档编号G01M9/00GK102706530SQ20121022077
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者王丽慧 申请人:上海理工大学