一种用于研究高大竖井内部气流特性的模型试验装置

摘要

本发明公开了一种用于研究高大竖井内部气流特性的模型试验装置，包括离心式变频送风机、轴流式变频引风机、变频器和竖井模型试验段。离心式变频送风机和双向轴流式变频风机分别位于竖井模型试验段两侧，通过连接变频器可对风量进行调节；竖井模型试验段沿纵向在上部开设等间距的格栅卡槽，用于放置阻力格栅，通过阻力格栅局部阻力等效模拟长大竖井直流段沿程阻力；在一系列格栅卡槽两侧分别开设测量孔，用于测量风速和静压。通过调节双向轴流式变频风机风速和风向及设置不同数量的阻力格栅，可以模拟高大竖井内考虑(正向或者逆向)烟囱效应时的通风系统的内部气流特征，满足在室内条件有限情况下进行物理模型试验的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种试验装置，具体涉及一种用于研究高大竖井内部气流特性的模型试验装置。

背景技术

高大竖井广泛应用在地上和地下空间中通风系统中。在深埋地下空间如地下抽水蓄能电站中，需要设置排风竖井排出地下厂房内的设备和人员散发的热量；山区公路隧道需设置排风竖井进行隧道通风以排出污浊空气。高大竖井由于周围岩体的巨大蓄能效果，竖井壁面温度基本上可以看成恒定，沿程壁面与内部气流存在热交换过程。对于深埋地下空间的排风，由于需要排出余热，导致竖井壁面温度低于竖井进口的排风气流温度，所以气流上升过程沿程被冷却，温度降低，产生逆向烟囱效应。对于山区隧道竖井，冬季由于竖井壁面温度高于竖井入口排出空气温度，气流上升过程被加热，产生正向烟囱效应。正向烟囱效应中气流受到壁面加热，密度降低，产生浮升力，促进了气流的流出，起到一定程度抵消阻力作用。逆向烟囱效应中气流沿程流动被冷却，密度增加，增加了气流的流出竖井的阻力。不同于长大水平隧道，由于高大竖井进出口高差大，烟囱效应效果强。虽然高大竖井都会设置机械通风系统进行排风，但在通风系统设计以及内部气流特性分析过程中必须考虑正向或者向逆烟囱效应的影响，进而对风机选型进行调整。

在对高大通风竖井的气流特性，如不同断面压力和速度的分布进行缩比例模型试验时，即使严格按照等比例缩小也会造成模型高度过大，测量沿高度气流特性参数难度大。因此，选取等效模拟法进行通风模型实验是一种可行的方式。

研究思路包括：1)由于高大排风竖井沿程基本是直管段，以气流与壁面形成沿程阻力为主，按照摩阻等效理论，在模型适当部位安装阻力格栅，通过格栅获得局部阻力从而等效代替一定直流长度；2)竖向放置装置测试难度大，采用水平放置装置等效模拟竖直方向的气流参数变化。针对横向放置装置时无法实现烟囱效应的模拟问题，采用在竖井模型排风口侧安装双向轴流式变频风机，通过调节风速和风向模拟烟囱效应造成的影响；3)在通风竖井气流特性测量中，主要测量参数是不同高度的压力变化，而沿程压力变化主要原因是气流的沿程阻力和高大竖井内的烟囱效应形成压力变化。通过合理的压力分布模拟，可以通过水平放置的装置内气流参数分布测量结果来等效分析出竖井装置竖直方向的气流参数分布规律，这是本发明的研究思路的着眼点之处。

关于通风道的阻力特性测试和实验研究，国内学者开展了大量工作。谢永利等在一种隧道通风物理模型实验中的阻力格栅(CN 204359506)专利中提出在模型隧道的适当部分安装阻力格栅，获得等效阻力而取得相应长度。刘承东等在专利一种综合管廊通风系统的当量摩擦阻力系数(CN 107291984A)提出狭长空间综合管廊的当量摩擦阻力系数的确定方法。魏连江等在一种集约化矿井通风阻力计算方法(CN 107083983A)提出长管道的两端分别与压差传感器的两测量口连接，可以得到巷道通风阻力。钱付平等提出了一种调节通风除尘管道阻力的方法(CN108386647A)提出通过设计可调孔板式阻力平衡器来调节阻力平衡。对于不同孔径比的孔板插件在管道中进行无因次仿真模拟，得出各个孔径比下的阻力值，进而计算出局部阻力系数。但对于高大竖井的气流特性模拟实验研究未见相关报道。

本发明提出的比例模型实验装置特点包括：1)将竖向的通风井模型水平放置，减小试验测量难度；2)在竖井模型试验段排风口侧设置双向轴流式变频风机通过调节风速和风向等效模拟竖井内两种烟囱效应；3)通过调节阻力格栅布置方式，等效模拟竖井模型不同高度，从而可以测量竖井模型不同高度断面的速度和静压分布。

发明内容

本发明的目的在于针对现有地下空间高大排风竖井气流特性技术的缺陷，提供一种结构简单、可满足试验需求的深埋竖井通风模型试验的比例装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：包括离心式变频送风机、双向轴流式变频风机、变频器和竖井模型试验段。所述离心式变频送风机安装于竖井模型试验段送风口侧，通过调节所连接的变频器控制送风量可以模拟不同情况下竖井模型中的机械排风效果；所述双向轴流式变频风机位于竖井模型试验段排风口侧，当风向为向室外排风时可模拟正向烟囱效应时对竖井排风的增强效果，当风向相反时可模拟逆向烟囱效应下对竖井排风的阻碍效果，同时通过调节所连接的变频器可控制风量，从而满足不同烟囱效应的要求；所述竖井模型试验段送风口侧连接有稳压箱和蜂窝式整流器；所述竖井模型试验段沿纵向分别开设压力测量孔、风速测量孔和等间距的格栅卡槽；

所述格栅卡槽用于放置阻力格栅，相邻两个格栅卡槽间距为竖井模型试验段直径De的1.5倍；所述阻力格栅为倾斜网状结构，网状结构倾斜角度为45°，各阻力格栅中的铁丝直径小于等于2mm；

进一步的，所述阻力格栅上半部分外边缘焊接半圆环状的格栅挡盖，起固定作用；所述格栅卡槽内未放置阻力格栅时，使用环形盖进行遮挡；

进一步的，所述格栅卡槽开口宽度为阻力格栅厚度的1.5倍；所述格栅挡盖宽度为格栅卡槽开口宽度的2倍；所述环形盖宽度为格栅卡槽开口宽度的3倍；

所述竖井模型试验段进风口和出风口两侧都开设压力测量孔和风速测量孔，分别使用毕托管和风速测量仪进行压力和风速的测量；进风侧测量孔距进风口为De的7.5倍，出风侧测量孔距出风口为De的5倍，同一侧两个测量孔之间距离为De的0.5倍，测量孔距离相邻格栅卡槽间距为De的5倍；

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：通过调节双向轴流式变频风机风量和改变风向，可以近似模拟不同情况下正向烟囱效应时对竖井通风的增强效果及逆向烟囱效应时对竖井通风的阻碍效果；通过调节阻力格栅安装数量和方式可以等效模拟竖井模型不同高度，从而可以测量出竖井模型任意高度位置处的风速和压力分布。本装置结构简单，调节方便，可以模拟高大深埋竖井内考虑烟囱效应时的通风现象，满足在室内条件有限的情况下进行物理模型试验的要求。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明阻力格栅示意图；

图3为本发明阻力格栅、环形盖与竖井模型试验段连接关系示意图；

图4为本发明测量孔示意图。

其中：1为离心式变频送风机；2为第一软连接；3为稳压箱；4为第一变频器；5为蜂窝式整流器；6为竖井模型试验段；7为压力测量孔；8为第一风速测量孔；9为风速测量仪；10为格栅卡槽；11为阻力格栅；12为格栅挡盖；13为环形盖；14为压力测量孔；15为第二风速测量孔；16为第二软连接；17为双向轴流式变频风机；18为第二变频器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见附图1-4，本发明包括离心式变频送风机1、双向轴流式变频风机15、变频器4、18和竖井模型试验段6。所述离心式变频送风机1安装于竖井模型试验6段送风口侧，通过调节所连接的第一变频器4控制送风量可以模拟不同情况下竖井模型中的机械排风效果；所述双向轴流式变频风机17位于竖井模型试验段6排风口侧，当风向为向室外排风时可模拟正向烟囱效应时对竖井排风的增强效果，当风向相反时可模拟逆向烟囱效应下对竖井排风的阻碍效果，同时通过调节所连接的变频器16可控制风量，从而满足不同烟囱效应的要求；所述竖井模型试验段6送风口侧连接有稳压箱3和蜂窝式整流器5；所述竖井模型试验段6沿纵向分别开设压力测量孔7、第一风速测量孔8和等间距的格栅卡槽10。所述格栅卡槽10用于放置阻力格栅11，相邻两个格栅卡槽10间距为竖井模型试验段6直径De的1.5倍；所述阻力格栅11为倾斜网状结构，网状结构倾斜角度为45°，各阻力格栅11中的铁丝直径小于等于2mm。所述阻力格栅11上半部分外边缘焊接半圆环状的格栅挡盖12，起固定作用；所述格栅卡槽10内未放置阻力格栅11时，使用环形盖13进行遮挡。所述格栅卡槽10开口宽度为阻力格栅11厚度的1.5倍；所述格栅挡盖12宽度为格栅卡槽10开口宽度的2倍；所述环形盖13宽度为格栅卡槽10开口宽度的3倍。竖井模型试验段6进风口和出风口两侧都开设压力测量孔7和第一风速测量孔8，分别使用毕托管和风速测量仪9进行压力和风速的测量；进风侧测量孔距进风口为De的7.5倍，出风侧测量孔距出风口为De的5倍，同一侧两个测量孔之间距离为De的0.5倍，测量孔距离相邻格栅卡槽10间距为De的5倍；

实施案例

实施例一：

模拟冬季山区隧道排风竖井内由于排出空气沿程温升而出现正向烟囱效应，研究该种对机械排风产生增强效果的情况下排风竖井内部各高度处风速和压力分布。按照附图1-4，首先将离心式变频送风机1与第一变频器4相接，风机出风口通过第一软连接2、稳压箱3和蜂窝式整流器5与竖井模型试验段6相连；将双向轴流式变频风机17与第二变频器18相接，风机引风口通过第二软连接16与竖井模型试验段6出风口段相连；开启离心式变频送风机1，通过调节第一变频器4使竖井模型试验段6送风口送风风速为竖井模型要求的机械排风风速v，从而模拟竖井机械排风；

根据原型公路隧道排风竖井排风入口处空气温度T

再将热压ΔP代入经验公式(2)得到竖井内由于正向烟囱效应所驱动的空气流速v’,其中C

此时开启双向轴流式变频风机17，风向设置为从竖井模型向外排出空气，即对竖井模型内排风产生增强效果，通过调节第二变频器18使风机风速为v’，从而等效模拟冬季公路隧道排风竖井内由热压驱动的正向烟囱效应。

开启所有风机进行通风后，当需要测量竖井模型内任意的高度H′断面处风速和压力分布时，由等效摩阻理论

实施例二：

模拟深埋地下抽水蓄能电站排风竖井内由于排出空气沿程温降而出现逆向烟囱效应，研究该种对机械排风产生阻碍效果的情况下排风竖井内部各高度处风速和压力分布。同实施例一中步骤，调节离心式变频送风机送风风速为试验所需机械排风风速v，模拟机械排风效果。

根据排风竖井排风入口处(即地下厂房排风出口处)空气温度和密度T

再将热压ΔP′代入经验公式(4)得到竖井内由于逆向烟囱效应所驱动的空气流速v”：

开启双向轴流式变频风机17，风向设置为从外部向竖井模型内送入空气，即对竖井模型内排风产生阻碍效果，通过调节第二变频器18使风机风速为v”，从而等效模拟地下抽水蓄能电站排风竖井内由热压驱动的逆向烟囱效应；

按照实施例一中相同步骤可测量竖井模型内不同高度处断面的风速分布和压力分布，从而满足在考虑逆向烟囱效应对排风的阻碍效果条件下，使用模型试验装置测量竖井任意高度处风速和压力分布的要求。