一种雪颗粒沉降速度测量装置及方法与流程

本发明属于沉降速度测量技术领域，更具体地说，是涉及一种雪颗粒沉降速度测量装置及方法。

背景技术：

风雪流是雪粒在风力作用下发生漂移和堆积的自然现象。在风雪流发生时，局部区域积雪严重，进而引起交通堵塞，建筑物损坏等现象，严重影响了人们的日常生活。作为风雪流发生的物质来源，雪的各项性质对风雪流的起动、漂移、堆积等过程具有重要影响。而雪的沉降速度是雪的重要性质参数之一。雪的沉降速度是指雪颗粒在静止空气中作等速沉降时的速度，也可定义为，作用在雪颗粒上的外力之和为零时雪颗粒的下降速度，即雪颗粒下落时所能达到的最大速度。

为了测量颗粒物的沉降速度，目前常用的方法主要有两种：1、给定时间的试验，测量颗粒物在一定时间间隔内所经过的垂直距离；2、给定距离的试验，测量记录颗粒物沉降经过一固定距离所需的时间。通过颗粒物沉降距离与沉降时间的比值，求出颗粒物的一个速度，多次测量求平均值，获得颗粒物在流动介质中的平均沉降速度。这两种方法在测量过程中均采用照相机、计算机、录像机等技术装备记录获取实验数据，这类技术装备的工作环境具有较大限制，在寒冷强风环境下，无法正常工作。而且雪颗粒与一般的颗粒物不同，雪颗粒的性质参数受到所处自然环境的较大影响，温度、湿度等因素均能显著改变雪的粒径、沉降速度等参数，在野外自然状态下测量得到的雪的性质参数才能代表真实状态下的雪的性质参数。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种雪颗粒沉降速度测量装置及方法，旨在解决由于环境对测量过程中技术设备的限制以及温湿度因素对雪颗粒影响较大的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种雪颗粒沉降速度测量装置，包括：筒体稳定段、筒体试验段和风速仪，筒体稳定段的两端开敞且底端固定设有风扇，所述筒体稳定段内还设有用于对所述风扇吹出的气流进行整流的整流机构和用于放置雪颗粒的滤网，所述整流机构间隔地设置于所述风扇顶端的上方，所述滤网间隔地设置于所述整流机构顶端的上方；筒体试验段的两端开敞，设置在所述筒体稳定段的上端并与所述筒体稳定段可拆卸连接；风速仪用于测定所述筒体试验段背离所述筒体稳定段的一端的风速。

进一步地，所述整流机构包括蜂窝器。

进一步地，所述整流机构还包括阻尼网，所述阻尼网设置于所述蜂窝器的上方。

进一步地，所述筒体稳定段的长度为筒体稳定段的截面直径的1.25-1.75倍。

进一步地，所述筒体稳定段的长度为175mm，所述筒体稳定段的直径为100mm，所述整流机构的长度为60mm。

进一步地，所述雪颗粒沉降速度测量装置还包括集雪斗，集雪斗的两端开敞且在水平方向的截面积从底端至顶端依次递增，底端与所述筒体稳定段外表面可拆卸连接，用于收集测量完成后的雪颗粒。

进一步地，所述雪颗粒沉降速度测量装置还包括支架，支架用于支撑所述筒体稳定段。

进一步地，所述风速仪为热线风速仪。

本发明提供的雪颗粒沉降速度测量装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明雪颗粒沉降速度测量装置设置筒体稳定段、筒体试验段和风速仪，通过筒体稳定段底端固定设置风扇，顶端固定设置整流机构和滤网，筒体试验段设置于筒体稳定段的上端且与筒体稳定段可拆卸连接，将雪颗粒设置于滤网上，通过风速的调节使雪颗粒保持稳定的悬浮状态，通过风速仪测定筒体试验段管口的风速即可获得雪颗粒的沉降速度。本发明装置不易受外界环境的影响且置于外界环境中很容易达到相同的温湿度。

本发明还提供了一种测定雪颗粒沉降速度的方法，包括以下步骤：

试验前准备步骤:将雪颗粒沉降速度测量装置放入野外环境中，使测量装置所处的温湿度与外界环境一致；

沉降速度测定步骤:将雪颗粒通过筒体试验段管口处放于滤网上，调节风扇的风速，当雪颗粒保持稳定的悬浮状态时，停止风速调节，使用风速仪测量筒体试验段管口处风速即为雪颗粒的沉降速度。

本发明提供的一种测定雪颗粒沉降速度的方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明一种测定雪颗粒沉降速度的方法，整体操作简单，准备步骤中直接将雪颗粒沉降速度测量装置设置于野外环境中即可保证装置的温湿度与外界环境一致；沉降速度测定步骤中，将雪颗粒置于滤网上，通过调节风扇风速的大小最终使雪颗粒保持稳定状态，通过风速仪测定雪颗粒的沉降速度，测定过程方便快捷。

进一步地，所述沉降速度测定步骤完成之后还包括集雪步骤和清理步骤，集雪步骤：调大风扇的风速，使雪颗粒上升并飘出筒体试验段，雪颗粒在重力的作用下落在集雪斗上；清理步骤：测量结束后，关闭风扇，取下集雪斗和滤网，使用清雪毛刷清扫集雪斗和滤网。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的雪颗粒沉降速度测量装置的结构示意图；

图2为本发明又一实施例提供的雪颗粒沉降速度测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的蜂窝器的俯视图。

图中：1、筒体稳定段；2、筒体试验段；3、风扇；4、整流机构；41、蜂窝器；5、阻尼网；6、滤网；7、支架；8、集雪斗；9、热管。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1，现对本发明提供的雪颗粒沉降速度测量装置进行说明。雪颗粒沉降速度测量装置，包括筒体稳定段1、筒体试验段2和风速仪，筒体稳定段1的两端开敞且底端固定设有风扇3，筒体稳定段2内还设有用于对风扇3吹出的气流进行整流的整流机构4和用于放置雪颗粒的滤网6，整流机构4间隔地设置于风扇3顶端的上方，滤网6间隔地设置于整流机构4顶端的上方；筒体试验段2的两端开敞，设置在筒体稳定段1的上端并与筒体稳定段1可拆卸连接；风速仪用于测定筒体试验段2背离筒体稳定段1的一端的风速。

本发明提供的雪颗粒沉降速度测量装置，与现有技术相比，本发明雪颗粒沉降速度测量装置设置筒体稳定段1、筒体试验段2和风速仪，通过筒体稳定段1底端固定设置风扇3，整流机构4和滤网6设置于筒体稳定段1内，风扇3顶端依次设置整流机构4和滤网6，风扇3与整流机构4、整流机构4与滤网6之间设置一定距离，筒体稳定段1与筒体试验段2可拆卸连接，将雪颗粒设置于滤网6上，通过风速的调节使雪颗粒保持稳定的悬浮状态，通过风速仪测定筒体试验段2管口的风速即可获得雪颗粒的沉降速度。本发明装置不易受外界环境的影响且置于外界环境中很容易达到相同的温湿度。

本实施例中风扇3为低速风扇，风扇3胶结于筒体稳定段1的内壁或在筒体稳定段1的内壁底端焊接固定支撑板，用于支撑风扇3，支撑板上设置孔洞，用于对风扇3产生的热量进行散热。采用便携式直流电源对低速风扇提供电流，便携式直流电源优选为耐低温蓄电池，可以在寒冷的外界环境下稳定地向低速风扇提供电流，低速风扇的风速连续可调，可以较为准确的选定气流沿筒体稳定段1轴向运动的速度，同时筒体稳定段1设有可以调节风扇3风速的开口；风扇3也可以为耐低温遥控风扇3，利用筒体稳定段1外的遥控可实现对筒体稳定段1内的风扇3的风速进行调节，筒体稳定段1采用钢制等截面圆筒制作。

本发明的原理为当雪颗粒处于流速等于沉降速度的上升气流中，颗粒将处于悬浮状态，此时雪颗粒所受重力、浮力、阻力等作用力达到平衡状态，此时上升气流的速度称为悬浮速度。雪的沉降速度是指雪颗粒在静止空气中作等速沉降时的速度。对比沉降速度和悬浮速度定义，可以发现两者雪颗粒的受力均达到平衡状态。由此可知，沉降速度与悬浮速度在意义上有所不同，在数值上相等。因此可通过对悬浮速度的测量获取颗粒的沉降速度。

对雪颗粒在静止空气中的沉降进行受力分析，雪颗粒在空气中所受流体阻力可由公式(1)计算:

式中：cd—阻力系数，与雷诺数、马赫数、斯托罗哈数等参数有关；

s—雪颗粒在沉降方向上的横截面积；

υ—雪颗粒在气流中的运动速度；

ρ—流体密度。

雪颗粒所受重力可由公式(2)计算:

g＝ρngv(2)

式中：ρn—雪颗粒密度(kg/m3)；

v—雪颗粒体积(m3)。

雪颗粒所受浮力可由公式(3)计算:

f浮＝ρgv(3)

当雪颗粒在静止空气中受力平衡时，所受重力、阻力、浮力之和为0，计算可得雪颗粒在静止气流中的沉降速度υ0的计算公式(4)，此时雪颗粒在气流中的运动速度υ＝υ0。

通过对雪颗粒在垂直流动的空气内的受力分析，假设试验装置内部空气相对于装置以匀速度μ垂直向上运动，处于流动空气中的雪颗粒以速度ω相对于装置运动。此时雪颗粒相对于流动空气的相对速度υ可由公式(5)计算。

υ＝ω+μ(5)

雪颗粒所受阻力、重力、浮力的计算与静止流体中的雪颗粒计算方法一致，可得雪颗粒在受力平衡时的悬浮速度υ与雪颗粒在静止气流中的沉降速度υ0相等。此时，雪颗粒相对于装置的运动速度ω为速度υ0与气流相对测量装置的速度μ的差值。当气流的运动速度μ等于沉降速度υ0时，雪颗粒相对于装置的运动速度ω为0，此时，雪颗粒将在空间中静止不动。读取此时的气流运动速度即可获得雪颗粒的沉降速度。

作为本发明提供的雪颗粒沉降速度测量装置的一种具体实施方式，请参阅图1和图3，整流机构4包括蜂窝器41，蜂窝器41由圆形管子组装而成，蜂窝器41与筒体稳定段1可拆卸连接，优选为螺纹连接，蜂窝器41外部设置外螺纹，筒体稳定段1内部相对应的设置内螺纹；也可以为磨砂连接，蜂窝器41外部设置为磨砂面，筒体稳定段1内部设置为磨砂面。还可以将蜂窝器41与筒体稳定段1胶结。蜂窝器41可以将风扇3吹出的紊乱气流进行整流，降低气流的湍流度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，整流机构4还包括阻尼网5，阻尼网5设置于蜂窝器41的上方，阻尼网5和滤网6分别与筒体稳定段1可拆卸连接，将阻尼网5和滤网6四周设置卷边，将阻尼网5和滤网6的卷边向下依次插入筒体稳定段1中；也可以将筒体稳定段1设置成沿轴向相互卡接的两个半块，将阻尼网5和滤网6放置于筒体稳定段1的两个半块中，再将筒体稳定段1的两个半块进行卡接。阻尼网5可以使稳定段的流动速度更为均匀，进一步破坏经过蜂窝器41后的气流涡旋，减少稳定段气流的湍流度。同时在测定雪颗粒沉降速度过程中雪颗粒有可能会融化，阻尼网5设置于蜂窝器41和滤网6之间，避免雪颗粒融化后对蜂窝器41的腐蚀，节省了材料，节约了成本。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图1，筒体稳定段1的长度为筒体稳定段1的截面直径的1.25-1.75倍，风扇3吹出的气流沿筒体稳定段1轴向运动。将筒体稳定段1的长度设置为筒体稳定段1的截面直径的1.25-1.75倍主要考虑到三方面的因素，首先是筒体稳定段1能够放置蜂窝器41、阻尼网5和滤网6，且风扇3与蜂窝器41之间间隔设置一定距离，阻尼网5和滤网6之间间隔设置一定距离，让气流有一定的发育长度；其次是野外试验，装置的尺寸如果太大，携带不方便；最后是底部风扇3占用一定的空间，适当地将筒体稳定段1的长度进行加长,一般风扇3所占用的空间沿筒体稳定段1轴向的长度为25mm。所以最终将筒体稳定段1的长度设置为筒体稳定段1的截面直径的1.25-1.75倍。筒体试验段2的长度不设置固定的长度，主要根据操作者的熟练度进行设置，筒体试验段2越长，对操作者的要求就越低，所以在野外进行测量时，可以准备不同长度的筒体试验段2，根据操作者的熟练程度进行选择不同的筒体试验段2。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，筒体稳定段1的长度为175mm，筒体稳定段1的直径为100mm，整流机构4的长度为60mm。将筒体稳定段1的长度设置为175mm，直径设置为100mm，便于野外携带，同时为风扇3吹出的气流预留了一定的发育长度，且整流机构4的长度设置为60mm，更有利于调节气流的湍流度。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2，雪颗粒沉降速度测量装置还包括集雪斗8，集雪斗8两端开敞且在水平方向的截面积从底端至顶端依次递增，底端与筒体稳定段1外表面可拆卸连接，用于收集测量完成后的雪颗粒。集雪斗8与筒体稳定段1外表面优选为螺纹连接，集雪斗8底端内侧设有内螺纹，筒体稳定段1外表面相对应的设置有外螺纹；也可以为磨砂连接，集雪斗8底端内侧设置为磨砂面，筒体稳定段1外表面相对应的设置为磨砂面。雪颗粒沉降速度测量完成后，加大风扇3的风速，使雪颗粒飘出本装置，落在集雪斗8上，避免雪颗粒落在滤网6上融化后对阻尼网5和蜂窝器41的污染，同时落在集雪斗8上的雪颗粒对筒体稳定段1具有一定的降温作用。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1和图2，雪颗粒沉降速度测量装置还包括支架7，支架7用于支撑筒体稳定段1，筒体稳定段1的底端开敞，利用支架7支撑筒体稳定段1，便于对固定设置于筒体稳定段1的风扇3进行散热，且有利于整体装置的稳定性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2，雪颗粒沉降速度测量装置还包括热管9，热管9的冷凝段伸入集雪斗8内，热管9的蒸发段经由筒体稳定段1的底端侧表面伸入筒体稳定段1内。利用集雪斗8收集的雪颗粒对筒体稳定段1底端的风扇3进行降温，可快速散去风扇3产生的热量，同时可进行多次重复实验，实现了废物的再利用。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，图中未示出，风速仪为热线风速仪。筒体试验段2顶端开敞，将风速仪的测量部位放在筒体试验段2的管口处即可测出雪颗粒的沉降速度。热线风速仪作为风速仪的标准产品，携带方便，性价比高。

本发明还提供了一种测定雪颗粒沉降速度的方法，包括以下步骤：

试验前准备步骤：将组装好的雪颗粒沉降速度测量装置放入野外环境中，使测量装置所处的温湿度与外界环境一致；

沉降速度测定步骤：将雪颗粒通过筒体试验段2管口处放于滤网6上，调节风扇3的风速，当雪颗粒保持稳定的悬浮状态时，停止风速调节，使用风速仪测量筒体试验段2管口处风速即为雪颗粒的沉降速度。

本发明提供的一种测定雪颗粒沉降速度的方法，与现有技术相比，本发明一种测定雪颗粒沉降速度的方法，整体操作简单，准备步骤中直接将雪颗粒沉降速度测量装置设置于野外环境中即可保证装置的温湿度与外界环境一致；沉降速度测定步骤中，将雪颗粒置于滤网6上，通过调节风扇3风速的大小最终使雪颗粒保持稳定状态，通过风速仪测定雪颗粒的沉降速度，测定过程方便快捷。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图2，沉降速度测定步骤完成之后还包括集雪步骤和清理步骤。集雪步骤为调大风扇3的风速，使雪颗粒上升并飘出筒体试验段2，雪颗粒在重力的作用下落在集雪斗8上；清理步骤为测量结束后，关闭风扇3，取下集雪斗8和滤网6，使用清雪毛刷清扫集雪斗8和滤网6。集雪步骤中通过集雪斗8集雪，避免雪颗粒对本装置的污染。清理步骤方便一次试验完成后方便后续的重复试验。

本实施例中，集雪步骤中，热管9的冷凝段伸入集雪斗8内，热管9的蒸发段经由筒体稳定段1的底端侧表面伸入筒体稳定段1内，利用热管9可实现集雪斗8和筒体稳定段1底端内风扇3热量交换，将风扇3产生的热量快速散去，同时达到了废物的二次利用；清雪步骤中，由于集雪斗8的设置，使得清雪毛刷清理的部件减少，有可能仅需要清扫集雪斗8和滤网6，且阻尼网5和蜂窝器41受污染程度减小，后期更换的频率也会减小，降低人工成本以及经济成本。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，试验前准备步骤和沉降速度测定步骤之间还设置气流稳定测试步骤，具体步骤过程为接通风扇3电源，使用风速仪测量筒体试验段2管口处风速，直至颗粒沉降速度测量装置内部气流均匀稳定，关闭风扇3电源。在进行沉降速度测定之前对装置内的气流进行调节，同时清理装置内的杂质，减小沉降速度测定过程中的误差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。