[发明专利]一种用于研究高大竖井内部气流特性的模型试验装置

说明书

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。

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