[发明专利]一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，属于空气热环境研究技术领域。

背景技术

在科学研究和工程实践中，某空间内气流组织的速度和温度分布和变化规律多为关注和研究的对象。由于气流运动具有复杂性，受现场影响因素较多且测量仪器布点与精度的限制，现场实测的研究方法往往很难全面反映气流本质特征，且不方便变工况变化规律的探讨。理论建模和数值模拟等研究手段多倚赖于其他研究方法的验证，且数值模拟研究方法受限于边界条件的输入。因此，搭建缩尺模型试验来再现复杂物理现象被认为是一种科学并方便工况调节的研究方法。常规的气体缩尺模型试验，由于空气比水的粘滞系数高出一个数量级，因此为满足模型与原型的相似性和获得相近的实验结论，空气的实验装置与液体实验装置相比，需占用较大空间；同时由于过小尺寸气流与原尺寸射流之间的规律往往存在一定差距，为了保证原型气流的规律在模型试验中成立，气体模型试验的比例尺不能过小。这就导致气体模型实验装置尺寸较大、不方便测量，且其中设备性能要求较高。

研究表明：由于液体水和空气的变化规律均满足相同的运动控制方程，因此采用液体变化规律来反映原型空气速度和温度变化规律的研究方法具有可行性。由于水的粘滞系数高，用液体来模拟气体变化的研究方法，将节省试验台空间尺寸，且方便测量、便于显示流体运动变化规律，是一项紧迫而有价值的工作。

发明内容

本发明涉及用液体模拟气体速度和温度变化的方法，它克服了采用现场实测方法研究气体热环境过程中不可控的影响因素较多、变工况较难实现的不足，也避免了气体缩尺模型试验占用空间过大、初投资较高和测试困难的缺点。本发明运用科学合理的液体缩尺模型实验研究方法，可以较好的再现原气体模型空气复杂运动及相互作用的规律，同时占地省、实验系统初投资低，可通过改变相应参数调节不同工况，数据采集方便，且可通过染色剂显示流线流态特征。

本发明技术方案是这样实现的：

1、一种用液体模拟气体速度和温度变化的方法，建立液体缩尺模型，模拟空气的气体速度和温度变化，其特征在于包括下述三方面：

①建立液体缩尺模型：在满足液体缩尺模型与原型几何相似、运动相似的前提下，根据对流动起主要作用的力确定液体缩尺模型与原型动力相似需满足的主要相似准则，来确定水流速度，以反映空气流动的速度变化特性（A）；

②对于非等温射流，主要表现在重力和浮力的不平衡，在满足阿基米德准则相似的前提下，通过改变盐水浓度模拟非等温空气送风的不同温度，即用盐水与清水的密度差模拟不同温度空气的密度差（B）；

③通过在水中加入染色剂获得流动流线分布规律（C）；

液体模型试验基于具体确定的速度场和温度场的相似准则及相应比例尺，通过液体流速测试仪获得液体流速后，得到原型气体速度数值和方向的变化规律；通过电导率仪测得盐水密度后，获得气流温度场数值的变化规律。

a、所述的几何相似：所设计的液体缩尺模型与原型相应部件的长、宽、高或直径满足相同的几何比例尺，从而确定液体缩尺模型的试验台各个部件的定型和定位尺寸；

b、所述的运动相似：冷空气在室内运动的控制方程组与冷水在清水中运动的控制方程组相同，保证空气和水两种介质的运动相似；

c、所述动力相似：对流动起决定作用的力保持液体缩尺模型与原型动力相似准则数相等，从而确定液体缩尺模型的试验台中液体的流速、流量反映真实气体的流速、流量；确定液体缩尺模型试验台中盐水的浓度来反映气体的温度。

动力相似准则数的确定分如下几种情况实现：

d、当对流动起决定作用的力为重力时，主要考虑原型与液体缩尺模型的弗诺得数相等，

即Fr_n=Fr_m

其中字符n代表原型，字符m代表液体缩尺模型；

e、当粘滞力对流动起主要作用时，重点考虑原型与模型的雷诺数相等，即

Re_n=Re_m

当考虑粘滞力占主要影响因素的雷诺准则形似时，速度场需保证雷诺数相等或流动处于自模区即可；

f、当压力或弹性力为对流动产生决定作用的力时，重点考虑欧拉数，即

Eu_n=Eu_m  和马赫数即 M_n=M_m

上述等式中各个参数的定义及含义如下：

弗诺得数Fr=v²/gl；