专利名称：受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于实验研究技术领域，涉及一种模型实验装置，尤其涉及一种受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置。
背景技术：
随着经济社会的快速发展，建筑技术水平和人们生活水平的提高，越来越多的高大空间建筑成为人们工作和生活的居留空间，例如音乐厅、影院、体育场、厂房、交通枢纽站等。高大空间建筑的空调气流组织设计一直是技术难点，特别是大空间分层空调环境。目前大空间建筑普遍采用喷口水平侧送的分层空调方式，以实现既保证工作区达到空调要求， 又减少能耗的目的。由于缺乏大空间理论基础或实验和测试条件，许多实际工程中对于非等温送风气流组织，只是简单地套用半经验射流公式验算射程，这种方法忽略了很多其他因素，如室内热源的性质和位置等，也就无法考察热羽流浮升力对射流轨迹的影响，故设计结果必有一定误差，因此目前大空间空调气流组织设计的准确性值得商榷。预测房间内空气分布的主要方法有射流公式计算、模型计算、CFD数值模拟、模型实验4种方法。其中，借助相似理论，利用模型实验对室内空气分布进行预测，不需依赖经验理论，是较为可靠的方法。相对空气模型实验而言，盐水模型实验方法成本较低廉，且可靠性较强。盐水模型实验研究方法是一种真实直观、成本低廉和较为清洁的空气运动研究方法，属于缩尺模拟实验。实验中可以直观地看到流体的运动状态，实现流动的可视化研究，易于在缩尺模型实验时达到与原型相同的Re数(或Gr数)，原因是空气的运动粘性系数约是水的15倍，而空气模型实验中忽略了粘性的影响，严格上说空气模型实验的室内流场是不可能实现相似的；另外，空气模型实验难以观察到流体的运动状态。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，可用于室内气流组织基础应用研究，以克服目前气流组织射流公式计算不够准确，CFD数值模拟可信度低，空气模型实验成本高、难以实现可视化等弊端。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，所述装置包括主水箱、射流盐水系统、羽流盐水系统、流场测试系统、管路；所述射流盐水系统包括射流盐水箱、射流供水泵、射流定压水箱、射流颜料箱、射流浮子流量计、射流分水箱和射流注入口 ；射流盐水箱与射流供水泵、射流定压水箱相连， 射流定压水箱与射流颜料箱、射流供水泵相连，射流定压水箱、射流颜料箱与射流浮子流量计相连，射流浮子流量计与射流分水箱相连；所述羽流盐水系统包括羽流盐水箱、羽流供水泵、羽流定压水箱、羽流颜料箱、羽流浮子流量计、羽流分水箱和羽流注入口 ；羽流盐水箱与羽流供水泵、羽流定压水箱相连， 羽流定压水箱与羽流颜料箱、羽流供水泵相连，羽流定压水箱、羽流颜料箱与羽流浮子流量计相连，羽流浮子流量计与羽流分水箱相连；所述射流盐水系统通过射流注入管与主水箱相连，羽流盐水系统通过羽流注入管与主水箱相连，流场测试系统通过主水箱盖板上的开口放置于主水箱中；所述主水箱为开式，底部设置排水管兼具排污功能，排水管上设置调节阀，实验中调节阀门开度，以保持主水箱水量平衡；所述射流定压水箱和射流颜料箱之间用水管联通，羽流定压水箱与羽流颜料箱之间用水管联通，以保证在实验中颜料箱中液面与相应定压水箱中液面保持一致。作为本发明的一种优选方案，通过采用高位射流定压水箱和羽流定压水箱，为实验中射流和羽流模拟盐水的注入提供稳定的压头，以使射流和羽流模拟盐水溶液能够以稳定的流速注入主水箱中。作为本发明的一种优选方案，通过在环境水箱侧壁设置不同高度的射流盐水注入口，模拟不同喷口高度的射流运动；通过在环境水箱顶部不同位置设置羽流盐水注入口，模拟不同热源平面分布的羽流运动，羽流分水箱和羽流盐水注入口可升降，模拟不同热源高度分布的羽流运动；通过在射流和羽流盐水管路中设置调节阀，模拟不同射流初速度、不同热源强度多工况实验。作为本发明的一种优选方案，环境水箱中设置双层致密整流网格使排水均匀，模拟无限空间的气流运动特点；主水箱整流网格内侧设置挡板插槽，插入挡板时可模拟有限空间的气流运动特点。作为本发明的一种优选方案，所述装置设置流场测试活动支架，将测量流场信息的测试仪器固定其上，以使其能够准确定位。作为本发明的一种优选方案，所述装置设置射流颜料箱和羽流颜料箱，通过在射流、羽流盐水系统管路中注入不同颜色颜料，观察其在环境水箱中的扩散运动及相互运动情况，实现流场可视化。本发明的思路是①根据相似理论及模型实验技术原理，利用不同浓度盐水模拟热羽流、环境和水平射流，研究热羽流与水平射流的相互作用；②通过采用高位定压盐水水箱，为实验中羽流和射流模拟盐水的注入提供稳定的压头，以避免水泵直接供水带来的流量强烈波动；③通过在环境主水箱侧壁不同高度设置两列射流盐水注入口，模拟不同喷口高度的单股及多股射流运动；④通过在环境主水箱顶部不同位置设置羽流盐水注入口(16)，模拟不同热源平面分布的单股及多股羽流运动，羽流分水箱至羽流盐水注入口段可升降，模拟不同热源高度分布的羽流运动通过在射流和羽流盐水管路中设置调节阀 (j、r)，实验中可调节和设置不同的流量，以模拟不同射流初速度、不同热源强度等多工况实验；⑥环境水箱中设置双层致密铁丝网使排水均匀，模拟无限空间的气流运动特点，环境水箱铁丝网内侧设置挡板插槽，插入具有特定位置开口的挡板时可模拟有限空间的气流运动特点；⑦设置流场测试活动支架，使测量流场信息的测量仪器能够准确定位，以克服测试人员手持测试仪器定位不准确的缺点；⑧通过在射流、羽流盐水系统管路中注入不同颜色颜料，观察其在环境水箱中的扩散运动及相互运动情况，实现流场可视化。本发明中的盐水模型实验台可实现的实验目标有a)不同高度、射流初速度的射流模拟；b)不同热源高度、热源功率、热源位置的热羽流模拟；
c)单股及多股射流、羽流以及二者相互作用的模拟；本发明的工作原理是由热源形成的热羽流因受到的浮升力大于其自身重力作用而竖直向上运动和扩散，水平非等温射流因受到的浮升力大于或小于其自身重力而上浮或下沉，利用不同浓度的盐水之间的密度差产生的浮力作用来模拟非等温空气射流和羽流的运动，二者具有相似性；相比较而言，射流盐水的水量远大于羽流盐水的水量，用较少量高浓度盐水模拟羽流，用较大量的低浓度盐水模拟射流；利用较高浓度的盐水从主水箱顶部注入，利用高浓度盐水的下沉运动来模拟羽流的竖直向上运动；利用较低浓度的盐从主水箱侧面注入，利用相对低浓度的盐水在环境盐水溶液中的运动模拟非等温射流的运动；根据相似理论原理，确定满足几何相似、物理相似、运动相似、动力相似、单值条件相似的模型实验装置参数和实验工况参数，可准确科学地模拟空气气流运动特点；根据因次分析和相似理论，确定盐水模拟实验相似准则数a)Re相等、b) Pr = Sc、c)Ar数相等；根据相似准则数，确定水箱尺寸、接管尺寸、射流与羽流相对位置、测点布置等模型实验台参数以及射流盐水浓度、羽流盐水浓度、环境盐水浓度等实验介质参数；通过在实验装置中设置不同位置分布的射流注入口和羽流注入口以模拟不同射流位置、不同热源分布的工况；通过调节管路中的盐水流量，模拟不同射流初速度、不同热源发热量的工况；通过调节羽流注入口伸入主水箱深度，模拟不同热源高度的工况；通过在管路中注入颜料，颜料显示射流和羽流在主水箱中的运动特点，实现流场可视化；根据实验工况确定实验方案和实验流程，在实验装置上进行调试，调试完毕后进行正式实验。本发明的有益效果在于本发明提出的受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，准确科学、理论性强、操作方便、适用多种工况、稳定性强、流场可视化，可用于室内气流组织基础应用研究，以克服目前气流组织射流公式计算不够准确，CFD数值模拟可信度低，空气模型实验成本高、难以实现可视化等弊端。


图I为本发明受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置结构示意图。附图标记如下I-主水箱；2_整流网格；3_盖板；4_射流盐水箱；5_射流供水泵；6_射流定压水箱；7_射流颜料箱；8_射流浮子流量计；9_射流分水箱；10-羽流盐水箱；11-羽流供水泵； 12-羽流定压水箱；13_羽流颜料箱；14_羽流浮子流量计；15_羽流分水箱；16_羽流注入口 ；17_底座;18-支架。调节阀a、C、j、r;截止阀b、d、e、g、h、i、m、O、p、q;止回阀f、n;排气阀k、s;球阀l、t。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。实施例一
请参阅图1，本发明揭示了一种受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置， 所述装置包括主水箱I、射流盐水系统、羽流盐水系统、流场测试系统、管路及附件。所述射流盐水系统包括射流盐水箱4、射流供水泵5、射流定压水箱6、射流颜料箱 7、射流浮子流量计8、射流分水箱9和射流注入口 ；射流盐水箱4与射流供水泵5、射流定压水箱6相连，射流定压水箱6与射流颜料箱7、射流供水泵5相连，射流定压水箱6、射流颜料箱7与射流浮子流量计8相连，射流浮子流量计8与射流分水箱9相连。所述羽流盐水系统包括羽流盐水箱10、羽流供水泵11、羽流定压水箱12、羽流颜料箱13、羽流浮子流量计14、羽流分水箱15和羽流注入口 16 ;羽流盐水箱10与羽流供水泵11、羽流定压水箱12相连，羽流定压水箱12与羽流颜料箱13、羽流供水泵11相连，羽流定压水箱12、羽流颜料箱13与羽流浮子流量计14相连，羽流浮子流量计14与羽流分水箱 15相连。在主水箱I中设置双层致密整流网格2，可使主水箱I周围均匀排水，以模拟无限空间的气流运动特点；整理网格2内侧设置挡板插槽，插入具有特定位置开口的挡板后，可以模拟受限空间的气流运动特点；主水箱为开式水箱，顶部盖板3只覆盖整流网格2包围部分，整流网格2外侧有自由液面；盖板3可拆卸，盖板3上设置羽流注入孔及流场测孔。主水箱I底部设置兼具排污功能的排水管，管道上设置调节阀a、c和截止阀b、d，排水管上设置调节阀a、c目的是保持主水箱I水量平衡；主水箱I侧壁设置溢流管，使调试时的微量多余盐水溢出，以保持整流网格2外侧自由水面与盖板3水平。射流盐水系统中射流盐水箱4 置于实验装置底座17上，通过射流供水管道将射流盐水箱4、射流供水泵5、射流定压水箱 6相连；射流颜料箱7连接在射流盐水管路中，并且与射流定压水箱6联通，以保证在实验中射流颜料箱7中与射流定压水箱6中有相同的压头；射流盐水管路流量由调节阀j控制， 并通过射流浮子流量计8测量；射流管路末端设置射流分水箱9，射流分水箱9顶部设置排气阀k，用于在实验前排出射流分水箱9中的空气；射流分水箱9侧面连接两排不同高度的射流盐水注入管，每根注入管上都设置有球阀1，根据不同实验工况确定球阀I的启闭；射流盐水注入管伸入主水箱I内部整流网格2内侧。羽流盐水系统中羽流盐水箱10置于实验装置底座17上，通过羽流供水管道将羽流盐水箱10、羽流供水泵11、羽流定压水箱12相连；羽流颜料箱13连接在羽流盐水管路中，并且与羽流定压水箱12联通，以保证在实验中羽流颜料箱13中与羽流定压水箱12中有相同的压头；羽流盐水管路流量由调节阀r控制， 并通过羽流浮子流量计14测量；羽流管路末端设置羽流分I水箱15，羽流分水箱9顶部设置排气阀S，用于在实验前排出羽流分水箱15中的空气；羽流分水箱15底部连接呈“十”字形分布的羽流盐水注入管，每根注入管上都设置有球阀t，根据不同实验工况确定球阀t的启闭；羽流盐水注入管末端为经特殊处理的羽流盐水注入口 16，盐水注入口 16伸入主水箱 I内部；羽流分水箱15至羽流盐水注入口 16段可升降，以模拟不同热源高度的工况。其实验流程为根据实验目标，首先确定实验方案；根据相似理论计算模型实验的边界条件和介质参数，实验前关闭除阀门g、j、k、O、r、s外的其他阀门，将羽流盐水系统中羽流分水箱15至羽流盐水注入口 16段固定在设定高度；配制好一定浓度的环境盐水、射流盐水和羽流盐水，分别将其注入主水箱I、射流盐水箱4和羽流盐水箱10 ;配制与射流盐水箱4内浓度相同的射流颜料盐水，注入射流颜料箱7内，水面与射流定压水箱6内溢流管顶部平齐；配制与羽流盐水箱10内浓度相同的羽流颜料盐水，注入羽流颜料箱13内，水面与羽流定压水箱12内溢流管顶部平齐；开启射流供水泵5，射流盐水开始注入射流盐水系统，待射流分水箱9内的空气完全排出后，关闭射流分水箱9顶部排气阀k，经一段时间后， 射流定压水箱6内水面会保持持稳定；开启羽流供水泵11，羽流盐水开始注入羽流盐水系统，待羽流分水箱15内的空气完全排出后，关闭羽流分水箱15顶部排气阀S，经一段时间后，射流定压水箱6内水面会保持持稳定；根据实验工况，开启阀门组I和t中的特定位置和特定数目的球阀，同时开启主水箱I底部排水管上的阀门a、b、c、d ;根据实验工况，调节阀门j的开度，使射流盐水管路内的流量达到设定值；根据实验工况，调节阀门r的开度，使羽流盐水管路内的流量达到设定值；调节阀门a、c的开度，使主水箱I的溢流管内有极微量的盐水溢出；系统运行稳定后，调整测量仪器位置，测试流场信息；测试完成后，关闭射流供水泵5和羽流供水泵11，排出水箱和管路系统内残余盐水，然后用清水清洗重要设备仪器。对于流场的可视化，在实验中开启阀门h，颜料会从射流颜料箱7注入射流盐水管路内，随着颜料的注入，射流颜料箱7内的液面会下降，射流定压水箱6和射流颜料箱7内液面会产生高差，颜料就不能持续注入管路内，所以需同时开启阀门i，使两个水箱内液面保持同一致，实验中射流盐水会不断从射流定压水箱6流入射流颜料箱7，射流颜料箱7内的颜料会被稀释，所以需向射流颜料箱7内补充颜料，以保证管路内的颜料有足够的色度。 对于羽流盐水系统也是如此，实验中需同时开启阀门P和阀门q，并及时向羽流颜料箱13内补充颜料。实验完成后，根据相似理论进行的数据转换和处理，最后得到实验结论。综上所述，本发明提出的受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，准确科学、理论性强、操作方便、适用多种工况、稳定性强、流场可视化，可用于室内气流组织基础应用研究，以克服目前气流组织射流公式计算不够准确，CFD数值模拟可信度低，空气模型实验成本高、难以实现可视化等弊端。这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、 材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
权利要求
1.一种受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，其特征在于，所述装置包括 主水箱、射流盐水系统、羽流盐水系统、流场测试系统、管路；所述射流盐水系统包括射流盐水箱(4)、射流供水泵(5)、射流定压水箱￠)、射流颜料箱(7)、射流浮子流量计(8)、射流分水箱(9)和射流注入口 ；射流盐水箱(4)与射流供水泵 (5)、射流定压水箱(6)相连，射流定压水箱(6)与射流颜料箱(7)、射流供水泵(5)相连，射流定压水箱出)、射流颜料箱(7)与射流浮子流量计(8)相连，射流浮子流量计(8)与射流分水箱(9)相连；所述羽流盐水系统包括羽流盐水箱(10)、羽流供水泵(11)、羽流定压水箱(12)、羽流颜料箱(13)、羽流浮子流量计(14)、羽流分水箱(15)和羽流注入口(16);羽流盐水箱(10) 与羽流供水泵(11)、羽流定压水箱(12)相连，羽流定压水箱(12)与羽流颜料箱(13)、羽流供水泵(11)相连，羽流定压水箱(12)、羽流颜料箱(13)与羽流浮子流量计(14)相连，羽流浮子流量计(14)与羽流分水箱(15)相连；所述射流盐水系统通过射流注入管与主水箱相连，羽流盐水系统通过羽流注入管与主水箱相连，流场测试系统通过主水箱盖板上的开口放置于主水箱中；所述主水箱为开式，底部设置排水管兼具排污功能，排水管上设置调节阀(a、c)，实验中调节阀门开度，以保持主水箱水量平衡；所述射流定压水箱(6)和射流颜料箱(7)之间用水管联通，羽流定压水箱(12)与羽流颜料箱(13)之间用水管联通，以保证在实验中颜料箱(7、13)中液面与相应定压水箱(6、 12)中液面保持一致。
2.根据权利要求I所述的受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，其特征在于通过采用高位射流定压水箱(6)和羽流定压水箱(12)，为实验中射流和羽流模拟盐水的注入提供稳定的压头，以使射流和羽流模拟盐水溶液能够以稳定的流速注入主水箱(I) 中。
3.根据权利要求I所述的受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，其特征在于通过在环境水箱侧壁设置不同高度的射流盐水注入口，模拟不同喷口高度的射流运动；通过在环境水箱顶部不同位置设置羽流盐水注入口(16)，模拟不同热源平面分布的羽流运动，羽流分水箱(15)和羽流盐水注入口(16)可升降，模拟不同热源高度分布的羽流运动；通过在射流和羽流盐水管路中设置调节阀(j、r)，模拟不同射流初速度、不同热源强度多工况实验。
4.根据权利要求I所述的受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，其特征在于环境水箱中设置双层致密整流网格(2)使排水均匀，模拟无限空间的气流运动特点； 主水箱整流网格(2)内侧设置挡板插槽，插入挡板时可模拟有限空间的气流运动特点。
5.根据权利要求I所述的受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，其特征在于所述装置设置流场测试活动支架，将测量流场信息的测试仪器固定其上，以使其能够准确定位。
6.根据权利要求I所述的受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，其特征在于所述装置设置射流颜料箱(7)和羽流颜料箱(13)，通过在射流、羽流盐水系统管路中注入不同颜色颜料，观察其在环境水箱中的扩散运动及相互运动情况，实现流场可视化。
全文摘要
本发明揭示了一种受热羽流作用的水平射流运动盐水模型实验装置，包括主水箱、射流盐水系统、羽流盐水系统、流场测试系统、管路；射流盐水系统包括射流盐水箱、射流供水泵、射流定压水箱、射流颜料箱、射流浮子流量计、射流分水箱和射流注入口；羽流盐水系统包括羽流盐水箱、羽流供水泵、羽流定压水箱、羽流颜料箱、羽流浮子流量计、羽流分水箱和羽流注入口；射流定压水箱和射流颜料箱之间用水管联通，羽流定压水箱与羽流颜料箱之间用水管联通。本发明可用于室内气流组织基础应用研究，以克服目前气流组织射流公式计算不够准确，CFD数值模拟可信度低，空气模型实验成本高、难以实现可视化等弊端。
文档编号G01M9/00GK102589835SQ201210026629
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月7日 优先权日2012年2月7日
发明者梁云, 王昕 , 高雪垒 申请人:上海理工大学