專利名稱：自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通風(fēng)領(lǐng)域，是一種自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置。
背景技術(shù)：
進入21世紀(jì)，人們愈加追求高品質(zhì)的生活環(huán)境，空調(diào)的利用在創(chuàng)造了舒適
的室內(nèi)環(huán)境的同時，也造成了巨大的能源消耗。據(jù)權(quán)威資料顯示，建筑能耗的
總量在全國能源總消費中所占的比例，已由上世紀(jì)70年代末的10%，上升到近 幾年的約28%，預(yù)計很快將上升到35%。如果加上間接消耗的能源，目前這一比 例己超過了46%，而空調(diào)能耗又約占建筑能耗的50% 60%左右。能源危機成為 制約著人類社會發(fā)展的關(guān)鍵因素。此外，空調(diào)對人們的健康也形成了一定的威 脅，空調(diào)病就是隨著空調(diào)發(fā)展應(yīng)運而生的。所以目前人們在追求舒適的生活環(huán) 境的同時，更重視能源的可持續(xù)利用，更關(guān)心自身健康，渴望接近自然。自然 通風(fēng)得到了廣泛關(guān)注，但因其受建筑周圍環(huán)境的影響較大，現(xiàn)場測試難以捕捉 自然通風(fēng)的規(guī)律，現(xiàn)有技術(shù)一般采用計算機數(shù)值模擬和空氣實驗法對自然通風(fēng) 特性進行研究，空氣實驗法難以顯示房間內(nèi)的溫度場，存在著模擬結(jié)果與實際 情況誤差太大，實驗研究成本高等不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種適合研究熱壓和風(fēng)壓共同作用時的自然通風(fēng)現(xiàn) 象，真實顯示房間內(nèi)的溫度場，使模擬結(jié)果與實際情況相似，且成本低的自然 通風(fēng)鹽水模型實驗裝置。
為實現(xiàn)上述發(fā)明的目的，依據(jù)相似理論，以鹽水和清水之間的密度差模擬空氣的溫度差，用鹽水在清水中的運動模擬實際建筑中熱羽流的運動；根據(jù)傳 熱和傳質(zhì)過程的類比特性，模型建筑采用了滲透性板壁，用來模擬墻體傳熱過-程，實驗過程中在鹽水中加入染料，能夠清晰地觀察到羽流的發(fā)生和發(fā)展過程， 運動規(guī)律以及相互作用。并采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置，其特征是在平臺25上設(shè)置鹽水儲箱1、 清水箱3，設(shè)置高位鹽水箱2，高位鹽水箱2上設(shè)置的限位液面管路與鹽水儲箱 l連通，高位鹽水箱2的第一鹽水出口通過管路、管路上設(shè)置的第一閘閥b、第 一調(diào)節(jié)閥a和第一泵5與鹽水儲箱1的鹽水出口連接，在清水箱3內(nèi)設(shè)置模型 建筑水槽21，模型建筑水槽21的一側(cè)為濾水篩網(wǎng)10，在清水箱3內(nèi)、位于模 型建筑水槽21的濾水篩網(wǎng)10外側(cè)設(shè)置弧形導(dǎo)流板11，在模型建筑水槽21內(nèi) 放置模型建筑4，模型建筑4上設(shè)有進、出水口，在模型建筑4的上方設(shè)置分 液器8，分液器8的下端設(shè)置的若干根鹽水分配管路分別通過其上設(shè)置的閘閥. 12與模型建筑4對應(yīng)的鹽水進口連通，在模型建筑4對應(yīng)的鹽水進口均連接有 噴嘴16，分液器8的鹽水進口通過管路、管路上依次設(shè)置的上閘閥f、流量計 6、下閘閥e、第二調(diào)節(jié)閥d與高位鹽水箱2的第二鹽水出口連通，在清水箱3 的溢流板9側(cè)固連有集水箱20，在集水箱20內(nèi)置有潛水泵19，潛水泵19的出 水口與清水箱3連通，集水箱20的上進水口通過管路及管路上設(shè)置的第二閘閥 h、集水箱20的下進水口通過管路及管路上設(shè)置的第三閘閥k與合并管路上設(shè) 置的第三調(diào)節(jié)閥g、補水箱7的出水口連接。在所述的分液器8上設(shè)有排氣閥 22。所述高位鹽水箱2的第一鹽水出口通過管路及管路上設(shè)置的第四閘閥c與 其第二鹽水出口連通。在所述鹽水儲箱1的箱底設(shè)置鹽水排污閥23。在所述清 水箱3箱底設(shè)置排污閥24。在所述模型建筑4的頂蓋13上設(shè)有若干個導(dǎo)電率 測孔2本發(fā)明依據(jù)相似性的理論，建筑物內(nèi)熱源引發(fā)的熱空氣，受浮力驅(qū)動，形 成浮力羽流；鹽水在清水中的運動，在重力的作用下形成重力流的事實，利用 本發(fā)明的自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置，能在縮尺模型實驗中用鹽水在重力驅(qū)動 下的向下運動模擬熱空氣由浮力驅(qū)動的向上運動，用鹽水和清水產(chǎn)生的密度差 來模擬實際建筑內(nèi)的溫度場，清水比擬周圍環(huán)境的冷空氣，鹽水比擬房間內(nèi)熱 源。己知模型和實型建筑中相應(yīng)變量的比例，就能夠通過模型實驗來預(yù)測實際 建筑內(nèi)的溫度場和通風(fēng)量，熱壓和風(fēng)壓共同作用時的自然通風(fēng)現(xiàn)象，真實顯示 房間內(nèi)的溫度場，使模擬結(jié)果與實際情況相似，且成本低。


圖1為自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為圖1中噴嘴16結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為圖1中模型建筑4俯視示意圖。
圖中1鹽水儲箱、2高位鹽水箱、3清水箱、4模型建筑、5第一泵、6 流量計、7補水箱、8分液器、9溢流板、IO濾水篩網(wǎng)、ll弧形導(dǎo)流板、12閘 閥、13頂蓋、14四周壁板、15卡槽、16噴嘴、17噴嘴體、18網(wǎng)板、19潛水 泵、20集水箱、21模型建筑水槽、22排氣閥、23鹽水排污閥、24排污閥、25 平臺板、a第一調(diào)節(jié)閥、b第一閘閥、c第四閘閥、d第二調(diào)節(jié)閥、e下閘閥、f 上閘閥、g第三調(diào)節(jié)閥、h第二閘閥、k第三閘閥。
具體實施例方式
下面利用附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。
參照圖1-3，本發(fā)明的自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置包括在平臺25上設(shè)置鹽 水儲箱l、清水箱3，設(shè)置高位鹽水箱2，高位鹽水箱2上設(shè)置的限位液面管路與鹽水儲箱l連通，高位鹽水箱2的第一鹽水出口通過管路、管路上設(shè)置的第 一閘閥b、第一調(diào)節(jié)閥a和第一泵5與鹽水儲箱1的鹽水出口連接。在清水箱3. 內(nèi)設(shè)置模型建筑水槽21，模型建筑水槽21的一側(cè)為濾水篩網(wǎng)IO，在清水箱3 內(nèi)、位于模型建筑水槽21的濾水篩網(wǎng)lO外側(cè)設(shè)置弧形導(dǎo)流板ll。在模型建筑 水槽21內(nèi)放置模型建筑4，模型建筑4包括用卡槽連接的四周壁板14和頂蓋 13，模型建筑4的四周壁板14采用滲透性板壁。模型建筑4上設(shè)有進、出水口 ， 在模型建筑4的頂蓋13上方設(shè)置分液器8，分液器8的下端設(shè)置的若干根鹽水. 分配管路分別通過其上設(shè)置的閘閥12與模型建筑4的頂蓋13上對應(yīng)的鹽水進 口連通，在模型建筑4對應(yīng)的鹽水進口均連接有噴嘴16，噴嘴16的噴嘴體17 為方形體，在噴嘴體17的鹽水出口設(shè)置網(wǎng)板18，鹽溶液流過一個狹窄的開口， 然后流經(jīng)較大的方形空腔，最后經(jīng)過一層致密的網(wǎng)板18后從管口流出。分液器' 8的鹽水進口通過管路、管路上依次設(shè)置的上閘閥f、流量計6、下閘閥e、第 二調(diào)節(jié)閥d與高位鹽水箱2的第二鹽水出口連通，流量計6為轉(zhuǎn)子流量計。在 清水箱3的溢流板9側(cè)固連有集水箱20，在集水箱20內(nèi)置有潛水泵19,潛水 泵19的出水口與清水箱3連通，集水箱20的上進水口通過管路及管路上設(shè)置 的第二閘閥h、集水箱20的下進水口通過管路及管路上設(shè)置的第三閘閥k與合 并管路上設(shè)置的第三調(diào)節(jié)閥g、補水箱7的出水口連接。在所述的分液器8上 設(shè)有排氣閥22。所述高位鹽水箱2的第一鹽水出口通過管路及管路上設(shè)置的第 四閘閥c與其第二鹽水出口連通。在所述鹽水儲箱1的箱底設(shè)置鹽水排污閥23。 在所述清水箱3箱底設(shè)置排污閥24。在所述模型建筑4的頂蓋13上設(shè)有若干 個導(dǎo)電率測孔26，使用電導(dǎo)率儀通過若干個導(dǎo)電率測孔26測量模型建筑4內(nèi) 不同位置的電導(dǎo)率。本發(fā)明的自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置以第一泵5為動力， 使清水箱3內(nèi)的水循環(huán)流動，用流動的水模擬實際建筑周圍的風(fēng)壓作用。設(shè)置溢流板9、弧形導(dǎo)流板ll和濾水篩網(wǎng)IO是為了使水流均勻，減少擾動。在鹽
水儲箱l中加入色素，就可以在模型建筑4中觀察到分層現(xiàn)象；實驗中可以調(diào)
節(jié)鹽水濃溶液的釋放速度，用轉(zhuǎn)子流量計6測量鹽水濃溶液的流量，用以模擬 實際建筑不同強度的熱源;用電導(dǎo)率儀伸入模型建筑4的頂蓋13上設(shè)有的若干 個導(dǎo)電率測孔26，測量模型建筑4內(nèi)不同位置的電導(dǎo)率，通過電導(dǎo)率換算成鹽 水溶液的密度和濃度，用以模擬實際建筑內(nèi)的空氣密度分布或溫度分布。
本發(fā)明依據(jù)相似性的理論，建筑物內(nèi)熱源引發(fā)的熱空氣，受浮力驅(qū)動，形' 成浮力羽流；鹽水在清水中的運動，在重力的作用下形成重力流。在鹽水和空 氣兩種流動中，羽流體積流量為V，密度為p + Ap，周圍流體的密度為p，受到 向下的力g(/p + Ap，和一個向上的力化K，這兩個力之差稱為浮力A傳F。因此， 羽流的加速度為gAp/(p + Ap)，當(dāng)密度差A(yù)/7很小時，稱g^gAp/y9為折減重力加 速度。
在實型建筑中，羽流的浮力通量&取決于空氣中的熱源功率W
&=,//^ (1) 式中，-是熱擴散系數(shù)，s是空氣比熱。
在模型中，浮力通量^^取決于密度為p +A/ 的鹽水流量g。。
模型和實型各變量之間的量綱分析和相似分析，與實驗過程相關(guān)的變量為 重力加速度g'，流體密度差A(yù)p，浮力通量B，運動粘性系數(shù)v，空氣的熱擴散 率和鹽在清水中的擴散率D，特征長度L。把密度，長度和時間作為基本量綱， 根據(jù)布金漢v定理得到三個無量綱冗項<formula>formula see original document page 9</formula>
(3)
無量綱項^也被許多作者稱為Ar數(shù)，表征由介質(zhì)密度差引起的浮力和粘性 摩擦力的比。"2表示慣性力與粘性力之比，是決定流場力相似的主要參數(shù)，表 示為Re數(shù)。^表示慣性力與擴散力之比，表示為Pe數(shù)。Pe數(shù)相等或者說Pr一 和Sc相等可以滿足能量相似，Pr和Sc是流體的物理特性，決定氣流的溫度分、 布與鹽水濃度擴散的相似特性。
在自然對流中，流體運動主要是由浮力驅(qū)動的，Gr數(shù)是決定流態(tài)的重要參 數(shù)，它代表浮力與粘性力的比例，自然對流的物理本質(zhì)決定了慣性力與浮力之 比為常數(shù)，也就是代表浮力與慣性力之比的Ra:Gr/i ^應(yīng)為常數(shù)，于是Ooci ^。 因而滿足Re數(shù)相似準(zhǔn)則，也就滿足了Gr數(shù)相似準(zhǔn)則。Re或者Gr都能用來判 斷縮尺模型和實型中流動的粘性力的相對重要性。Re用于驗證模型和實型中的 流動是紊流。當(dāng)Re和Pe超過103時，忽略粘性和熱擴散的影響，在重力流動中 Re數(shù)超過500時產(chǎn)生無粘性現(xiàn)象。
0/丄)1/3包含速度"量綱，由(^0"" (5M"M)2/3~"，代入到 g' = gAP/P可得加速度之比為
、5/3
假設(shè)對于空氣來說，相對密度增量和溫度增量成正比，實型建筑內(nèi)各點的
溫度差A(yù)r表達為:
<formula>formula see original document page 9</formula>
通過測量縮尺模型中進風(fēng)口和排風(fēng)口的鹽濃度，實型建筑中的通風(fēng)量^由模型通風(fēng)量C^算出。設(shè)G,為通風(fēng)量比尺，艮P:
《=C F/GM=i//,s (7) 式中^是長度比尺；^是時間比尺，用長度比尺和折減重力加速度g'表示為
""/g;J7(n)1/2 (8)
結(jié)合方程(5)和(8)，
<formula>formula see original document page 10</formula>
把方程(9)代入方程(7)，實型建筑的通風(fēng)量表達式為
(9)
ATI、l/2〖5/2
(10)
本發(fā)明的技術(shù)特點有以下幾點
(1) 根據(jù)相似理論，在縮尺模型中用鹽水在重力驅(qū)動下的向下運動模擬熱一 空氣由浮力驅(qū)動的向上運動，用鹽水和清水產(chǎn)生的密度差來模擬實際建筑內(nèi)的 溫度場，鹽水比擬房間內(nèi)的熱源，清水比擬周圍環(huán)境的空氣。
(2) 在鹽水中加色素，實驗過程中能夠觀察到自然通風(fēng)房間內(nèi)氣流發(fā)展變 化情況和建筑內(nèi)的熱分層現(xiàn)象。
(3) 用電導(dǎo)率儀測量模型建筑內(nèi)不同位置的電導(dǎo)率，通過電導(dǎo)率換算成鹽 水溶液的密度和濃度，用以模擬實際建筑內(nèi)的空氣密度分布或溫度分布。
(4) 基于傳熱和傳質(zhì)類比的特性，模型建筑采用了滲透性板壁，通過板壁 滲透傳質(zhì)過程來模擬墻體傳熱過程。
(5) 通過潛水泵驅(qū)動，用清水箱內(nèi)流動的水來模擬實際建筑周圍的風(fēng)壓作用。
權(quán)利要求
1.一種自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置，其特征是在平臺(25)上設(shè)置鹽水儲箱(1)、清水箱(3)，設(shè)置高位鹽水箱(2)，高位鹽水箱(2)上設(shè)置的限位液面管路與鹽水儲箱(1)連通，高位鹽水箱(2)的第一鹽水出口通過管路、管路上設(shè)置的第一閘閥(b)、第一調(diào)節(jié)閥(a)和第一泵(5)與鹽水儲箱(1)的鹽水進口連接，在清水箱(3)內(nèi)設(shè)置模型建筑水槽(21)，模型建筑水槽(21)的一側(cè)為濾水篩網(wǎng)(10)，在清水箱(3)內(nèi)、位于模型建筑水槽(21)的濾水篩網(wǎng)(10)外側(cè)設(shè)置弧形導(dǎo)流板(11)，在模型建筑水槽(21)內(nèi)放置模型建筑(4)，模型建筑(4)上設(shè)有進、出水口，在模型建筑(4)的上方設(shè)置分液器(8)，分液器(8)的下端設(shè)置的若干根鹽水分配管路分別通過其上設(shè)置的閘閥(12)與模型建筑(4)對應(yīng)的鹽水進口連通，在模型建筑(4)對應(yīng)的鹽水進口均連接有噴嘴(16)，分液器(8)的鹽水進口通過管路、管路上依次設(shè)置的上閘閥(f)、流量計(6)、下閘閥(e)、第二調(diào)節(jié)閥(d)與高位鹽水箱(2)的第二鹽水出口連通，在清水箱(3)的溢流板(9)側(cè)固連有集水箱(20)，在集水箱(20)內(nèi)置有潛水泵(19)，潛水泵(19)的出水口與清水箱(3)連通，集水箱(20)的上進水口通過管路及管路上設(shè)置的第二閘閥(h)、集水箱(20)的下進水口通過管路及管路上設(shè)置的第三閘閥(k)與合并管路上設(shè)置的第三調(diào)節(jié)閥(g)、補水箱(7)的出水口連接。在所述的分液器(8)上設(shè)有排氣閥(22)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置，其特征是所述高 位鹽水箱(2)的第一鹽水出口通過管路及管路上設(shè)置的第四閘閥(c)與其第 二鹽水出口連通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置，其特征是在所述 鹽水儲箱(1)的箱底設(shè)置鹽水排污閥(23)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置，其特征是在所述 清水箱(3)箱底設(shè)置排污閥(24)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置，其特征是在所述模型建筑(4)的頂蓋(13)上設(shè)有若干個導(dǎo)電率測孔(26)。
全文摘要
本發(fā)明是一種自然通風(fēng)鹽水模型實驗裝置，其特點是設(shè)置鹽水儲箱、清水箱和高位鹽水箱，高位鹽水箱與鹽水儲箱連接，在清水箱內(nèi)設(shè)置的模型建筑水槽內(nèi)放置模型建筑，置于模型建筑上方的分液器通過其上的閘閥與模型建筑對應(yīng)的鹽水進口連通，分液器通過管路的閘閥、流量計和調(diào)節(jié)閥與高位鹽水箱連通，在集水箱內(nèi)置的潛水泵與清水箱連通，利用本裝置能在縮尺模型實驗中用鹽水在重力驅(qū)動下的向下運動模擬熱空氣由浮力驅(qū)動的向上運動，用鹽水和清水產(chǎn)生的密度差來模擬實際建筑內(nèi)的溫度場，清水比擬周圍環(huán)境的冷空氣，鹽水比擬房間內(nèi)熱源。已知模型和實型建筑中相應(yīng)變量的比例，就能通過模型實驗來預(yù)測實際建筑內(nèi)的溫度場和通風(fēng)量，使模擬結(jié)果與實際情況相似，且成本低。
文檔編號G01M9/08GK101561343SQ200910066938
公開日2009年10月21日 申請日期2009年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月7日
發(fā)明者磊 王, 趙加寧, 軍 高 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)