一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置及方法与流程

本发明涉及一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置及方法。

背景技术：

放射性物质在大气中的迁移扩散问题，在核设施厂址环境影响评价、风险评价、核事故后果评价与应急响应以及非放射性污染物环境影响评价领域一直备受关注。

对于此类问题的研究，主要有三种手段：现场试验、风洞实验和数值模拟。现场试验的结果真实，但是试验条件不可控、无法重现、花费代价高以及花费时间长等。数值模拟实验条件可控、重复性强、花费代价小以及周期短等，但是其结果必须经过观测或实验验证才是有效的。而风洞实验具有现场试验的真实性和数值模拟的可预测性，因此风洞实验在研究这方面的问题具有重要的作用。

目前，国内进行了大量针对污染物大气扩散问题的风洞实验研究，然而此类风洞实验均是在中性层结条件下进行的，但实际大气并非如此，根据我国已建和拟建核电厂厂址气象观测数据，滨海核电厂址有32～58％(根据δt～u分类法)的时间是出现非中性大气层结，一些内陆核电厂址该比例高达63～73％。而污染最严重的情况往往发生在稳定层结条件下，并且稳定度会影响大气边界层(abl)的厚度、结构以及边界层内的速度、温度和湍流廓线，所以稳定度和温度层结特征是重要的，它们对于实际大气中污染物扩散问题起主要作用。

因此，有必要发明在环境风洞中建立对温度层结的模拟方法装置及方法以解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置及方法，通过对来流温度控制系统、温度车和可加热冷却地板取不同的参数，能够实现对稳定层结、中性层结、以及不稳定层结的模拟。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：

一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置，所述装置包括：

安装在风洞稳定段的来流温度控制系统、安装在实验段的前端的温度车和放置在风洞实验段洞体底部的至少一块可加热冷却地板；

所述温度车为分层结构，在垂直方向分层，每层通道内安装三角形翅片式电加热带，每层为一个独立的小电加热器，由上、下绝热板隔开；

所述温度车为装置中可拆卸结构。

进一步的，所述来流温度控制系统为椭圆矩形翅片管式结构。

进一步的，所述温度车在垂直方向上共分为21层；

所述温度车底部还包括移动轮，所述移动轮通过伸缩杆与温度车壳体固定。

进一步的，所述温度车还包括温度传感器，所述温度传感器与所述每个小电加热器单独连接，所述每个小电加热器的出口温度范围为10℃～85℃。

进一步的，所述温度车还包括整流格栅，所述整流格栅设置于每层小电加热器之间。

进一步的，所述可加热冷却地板内部装有换热器，其处理后的气流温度范围为10℃-90℃。

进一步的，所述装置还包括水循环系统，所述水循环系统位于风洞外，通过管道和阀门和所述可加热冷却地板连接。

一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)根据预设拟调节曲线温度差，对来流温度控制系统进行参数设置，当温差小于30℃，将来流温度控制在4-7℃范围内；

(2)等来流温度处于稳定时，根据预设拟调节温度层结曲线计算值分层设置温度车温度，tl＝ttp*1.2,其中，tl为温度车每层设置温度值，ttp为拟调节温度曲线计算值；

(3)将可加热地板温度设置为拟调节温度曲线计算结果的0.8倍。

进一步的，当温差大于30℃时，将来流温度控制在8-10℃范围内。

进一步的，预设时间段后，根据风向关心区域的温廓线形式，对温度车和/或可加热冷却地板进行微调。

本发明的效果在于，采用本发明提供的大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置及方法，通过对来流温度控制系统、温度车和可加热冷却地板取不同的参数，能够实现对稳定层结、中性层结、以及不稳定层结的模拟。

附图说明

图1是本发明所述装置一实施例的侧视图；

图2是图1中温度车一实施例的结构示意图；

图3是本发明所述方法一实施例的流程示意图；

图4为x＝0，不同x处的温度廓线(线性形式tm＝11+63.2·z)；

图5为x＝0，不同y处的温度廓线(线性形式tm＝11+63.2·z)；

图6为y＝0，不同x处的温度廓线(线性形式tm＝18+29.8·z)；

图7为x＝0，不同y处的温度廓线(线性形式tm＝18+29.8·z)；

图8为y＝0，不同x处的温廓线(对数形式tm＝4·ln(z)+46)；

图9为x＝0，不同y处的温廓线(对数形式tm＝4·ln(z)+46)。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明所述装置一实施例的侧视图。所述装置包括：安装在风洞稳定段的来流温度控制系统1、安装在实验段的前端的温度车2和放置在风洞实验段洞体底部的可加热冷却地板3。

本发明提供的大气边界层环境风洞中温度层结的模拟装置，是在既定风场下，利用来流温度控制系统1、温度车2和可加热冷却地板3之间相互配合来实现对温度层结的模拟。其具体工作机理具体思路为：

风洞在保持某一既定风场的情形下，利用来流温度控制系统1首先将外界进入风洞的气流进行统一的冷却，冷却到某一恒定温度，当某一恒定温度的气流经过温度车2会被统一进行加热，包括梯度加热或等温加热，再通过可加热冷却地板3后，底部温度梯度会发生变化，在风洞试验段下风向形成关心的温度层结曲线。

其中，来流温度控制系统1用于调节背景温度场以及形成稳定的温度层结所需时间的长短，温度车2的不同层温度主要用于调节整体温度层结曲线，可加热冷却地板3主要用于调节边界层内靠近地板的温度层结曲线和模拟不同温度的下垫面。

设置来流温度控制系统1的主要目的是为了保证所有进入风洞内部的气流均处于同一温度。所述来流温度控制系统1为椭圆矩形翅片管式结构。所述来流温度控制系统1入口空气温度为大气温度，出口温度可调，最低温度可达4℃。冷却功率约300kw左右，阻力约120pa。

参阅图2，图2为温度车一实施例的结构示意图。

设置温度车2的主要目的是为了实现对通过来流温度控制系统1的气流进行分层加热(梯度温度)或整体均匀加热。所述温度车2为分层结构，在垂直方向分层，每层通道内安装三角形翅片式电加热带22，每层为一个独立的小电加热器，由上、下绝热板23隔开。经过实验测量，优选的，温度车2共包含21层独立的小电加热器，通过这样的设置既能满足实验需求又不浪费材料。

所述温度车2还包括温度传感器25，所述温度传感器25与所述每个小电加热器单独连接。每个小电加热器单独控制，通过温度传感器25收集的信号，经过pid运算模块进行运算后反馈给温控模块，改变加热器输出功率，达到设定温度，所述每个小电加热器的出口温度范围为10℃～

85℃。电加热器总功率约800kw，阻力约150pa。

为提高单层空气出风温度的均匀性，所述温度车2还包括整流格栅24，所述整流格栅24设置于每层小电加热器之间，进行整流。

温度车2底部还包括移动轮26，所述移动轮26通过伸缩杆与温度车2壳体21固定。优选的，每个温度车2底部包括4个移动轮26，通过调节伸缩杆的高度可使温度车2满足不同高度风洞。还要指出的是温度车2为可拆卸结构，当不做温度模拟实验时，可将温度车2移出风洞，利用空车进行替换。

设置可加热冷却地板3的目的是为了模拟不同的下垫面，用来模拟不同大气稳定度对污染物大气扩散的影响过程，并可以用于模拟海陆风，城市热岛效应等复杂的大气流动与扩散现象。所述可加热冷却地板3内部装有换热器，其处理后的气流温度范围为10℃-90℃。具体的，可加热冷却地板3的内部装有高频焊管的换热器。

所述装置还包括水循环系统，所述水循环系统位于风洞外，通过管道和阀门和所述可加热冷却地板3连接。当给管道通入冷水时，可加热冷却地板3将风洞内气流进行冷却，通入热水时，对气流进行加热。

所述装置中包括至少一块所述可加热冷却地板3，当包括多块可加热冷却地板3时，可加热冷却地板3沿着气流方向并排放置。

通过大量的实验，发现利用本发明提供的装置可以得到不同温度层结曲线实验方案。如表1所示，分别将来流温度控制系统1、温度车2和可加热冷却地板3按照表1里的参数进行设置，经过一段稳定时间，可以得到相对应的温度层结曲线。具体温度层结曲线参见图4-9。其中，以转盘中心为原点，顺气流方向为x正方向，符合右手坐标法则。根据该方案，在进行不同温度层结模拟(比如进行线性形式稳定层结)时，通过简单的调试即可获得理想的温度层结曲线。

区别于现有技术，本发明提供的一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置，通过对来流温度控制系统、温度车和可加热冷却地板取不同的参数，能够实现对稳定层结、中性层结、以及不稳定层结的模拟。

参阅图3，图3为所述方法一实施例的流程示意图。本发明提供的一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟方法包括以下步骤：

步骤101：根据预设拟调节曲线温度差，对来流温度控制系统进行参数设置，当温差小于30℃，将来流温度控制在4-7℃范围内。

首先在在均一流场下，根据预设拟调节曲线，首先对对来流温度控制进行参数设置。根据预设拟调节曲线的最大值和最小值计算其温度差，当温差小于30℃，将来流温度控制在4-7℃范围内。当温差大于30℃时，将来流温度控制在8-10℃范围内。

步骤102：等来流温度处于稳定时，根据预设拟调节温度层结曲线计算值分层设置温度车温度，tl＝ttp*1.2,其中，tl为温度车每层设置温度值，ttp为拟调节温度曲线计算值。

先据上述大气边界层环境风洞中温度层结模拟装置中温度车在垂向上每层的厚度转换得到每层的高度，再根据ttp为拟调节温度曲线计算值得到不同高度的温度值，最后根据tl＝ttp*1.2得到温度车每层设置温度值。

步骤103：将可加热地板温度设置为拟调节温度曲线计算结果的0.8倍。

当本发明所述装置中包括多块可加热冷却地板时，可加热冷却地板沿着气流方向并排放置，所以加热冷却地板在同一水平线上，故在实验模拟大气边界层环境风洞中温度层结时，只需要将其都设置为同一温度值。具体的，将可加热地板温度设置为拟调节温度曲线计算结果的0.8倍。和温度车温度设置类似，具体的设定值需要根据装置所在高度进行转换。

在对装置温度设定完成后，所述方法还包括，预设时间段后，等气流稳定下来，根据风向关心区域的温廓线形式，对温度车和/或可加热冷却地板进行微调，以达到实验目的。

以下以一个具体实施例来说明本发明所能达到的有益效果。参阅图4-9以及表1，图4为x＝0，不同x处的温度廓线(线性形式tm＝11+63.2·z)；图5为x＝0，不同y处的温度廓线(线性形式tm＝11+63.2·z)；图6为y＝0，不同x处的温度廓线(线性形式tm＝18+29.8·z)；图7为x＝0，不同y处的温度廓线(线性形式tm＝18+29.8·z)；图8为y＝0，不同x处的温廓线(对数形式tm＝4·ln(z)+46)；图9为x＝0，不同y处的温廓线(对数形式tm＝4·ln(z)+46)，表1为一种温度层结风洞模拟的实验方案。

表1

续表1

图4-9中，x、y、z为实验风洞所建立的三位坐标轴，x为逆气流方向，y在水平面上与x垂直方向，z垂直水平面向上。本实施例中包括3种拟调节曲线：tm＝18+29.8·z、tm＝11+63.2·z以及tm＝4·ln(z)+46，其中z到单位为米。

首先根据预设拟调节曲线计算温度差，由于tm＝18+29.8·z和tm＝4·ln(z)+46温差小于30℃，将来流温度设定为4℃，tm＝11+63.2·z中温度差大于30℃，将来流温度设定为8℃。

等来流温度处于稳定时，根据预设拟调节温度层结曲线计算值分层设置温度车温度。装置中温度车有21层，根据其高度分别为每层赋值。如第一层高度为40毫米，将其转化为z＝0.04米进行计算。然后将可加热地板温度设置为拟调节温度曲线计算结果的0.8倍。等气流稳定下来，根据风向关心区域的温廓线形式，对温度车或可加热冷却地板进行微调，以达到实验目的。具体装置的设定温度如表1所示，实验结果如图4-9所示。在其他实施例中还可以同时调节温度车或可加热冷却地板，在此不做限定。

区别于现有技术，本发明提供的一种大气边界层环境风洞中温度层结模拟方法，在实验模拟大气边界层环境风洞中温度层结时能快速根据预设拟调节温度曲线达到实验效果。

本领域技术人员应该明白，本发明所述的装置及方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围，本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。