一种隧道通风实验用物理风道摩擦阻力系数确定方法

技术领域

本发明属于隧道通风技术领域，具体涉及一种隧道通风实验用物理风道摩擦阻力系数确定方法。

背景技术

在进行隧道通风实验时，摩擦阻力系数是一个重要变量，也是小尺寸模型方法的一个重要条件，主要通过改变建造材质或通风阻力实现。改变建造材料不符合实验室需求，因此，实验室模型隧道摩擦阻力系数变化主要通过改变通风阻力来达到目的。

目前，改变通风阻力的方法主要通过阻力格栅。2004年，在秦岭终南山特长公路隧道模型试验研究过程中，谢永利、王亚琼、方磊等人，利用阻力格栅分别建立了1:8和1:24两种比尺的隧道通风物理模型。针对港珠澳海底隧道，长安大学谢永利、王亚琼等人，利用阻力格栅建立1:9的大比尺整体物理模型和局部物理模型。2009年，依托大别山特长公路隧道，长安大学谢永利、王亚琼等人，利用阻力格栅建立了1:10的大比尺通风物理模型。此三次隧道模型建造所使用阻力格栅为传统格栅，没有特定的标准，形态、规格各不相同，实施者需订购多套不同的阻力格栅，频繁更换以满足不同需求的通风阻力，此方法费时费力，还增加了成本。

2018年，韩晋平等人公开了一种可调节的井下隧道阻力模型，其原理是通过安装若干个相同规格阻力格栅，获得不同的摩擦阻力系数。此方法与传统格栅相比，无需多套不同的阻力格栅；但是，实施者不得不增减阻力格栅数量，以形成不同的通风阻力，并且，在安装阻力格栅前需安装对应边框。可见，此方的具体实施中，存在边框不易与隧道契合、实验时易发生脱离，操作不便，且费时费力。

无论是传统格栅，还是新型可调节格栅，皆可改变摩擦阻力系数，但却无法明确计算出在一定相对长度时的摩擦阻力系数，影响实验进程与数据的准确性。

发明内容

为了解决上述技术问题，提供一种操作灵活、方便，能够减轻实验人员劳动强度，且能通过调整出风口的大小可以实现不同摩擦阻力系数的实验，节约了实验成本的隧道通风实验用物理风道摩擦阻力系数确定方法。

本发明采用的技术方案是：一种隧道通风实验用物理风道摩擦阻力系数确定方法，包括隧道模型主体及调节装置，隧道模型主体为管状结构，调节装置安装在隧道模型主体的末端；所述的调节装置包括多个调节环，多个调节环的直径互不相同，所述的调节环根据直径的大小依次排列，相邻的调节环同轴连接，且直径较小的调节环位于直径较大调节环的外侧。

包括如下步骤：

1)测量初始状态下的出风口的半径与出风口处风速；

2)从外向内依次拆下调节环，每拆下一个后测量此时出风口的半径与出风口处风速，直至调节环全部拆下；然后将出风口的半径从大到小依次计作R

3)计算隧道模型主体的压损P

a)将出风口半径为R

式中：P

λ—摩擦阻力系数，无量纲数；

ρ—隧道内空气密度，kg/m

D—隧道模型主体的内径，D＝2R

v

L

b)依次计算出风口半径为R

式中：P

L

c)依次计算出风口半径从R

式中：P

△L

4)计算出隧道模型主体的摩擦阻力系数λ：

a)出风口面积发生改变会引起局部阻力变化，其局部损失计算公式如公式(4)所示：

式中：ξ为局部阻力系数；

b)在出风口面积突然缩小时，对应的局部阻力系数ξ表达式如公式(5)所示：

式中：A

A

c)将公式A

d)将公式(6)代入公式(4)，得到公式(7)

e)因P

f)将公式(8)进行调整变化得到公式(9)：

根据公式(9)，出风口风速与出风口半径通过测量得出，根据所需的隧道模型主体的当量长度确定L

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明操作方便，在隧道模型的末端使用大小不同的调节环依次叠加封住隧道出口，当确定实验所需隧道模型相对长度时，可直接计算出所需的摩擦阻力系数；并且，根据具体需求拆下相应大小的调节环，通过调节通出风口的面积来改变摩擦阻力系数，实现不同摩擦阻力系数需求的实验，节约了实验成本。本发明不仅解决了实验室内隧道模型摩擦阻力系数难以变化的问题，而且能根据公式直接计算出摩擦阻力系数，避免数值模糊不清，影响后续实验进程。

附图说明

图1为本发明的隧道通风实验用风道摩擦阻力系数确定装置正视图。

图2为本发明的隧道通风实验用风道摩擦阻力系数确定装置侧视图。

图3为风机特性曲线图。

图4为摩擦阻力系数与出风口半径关系图

图中：1—调节环，2—自攻螺丝，3—隧道模型主体

R

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1～图2所示，本发明采用的隧道通风实验用风道摩擦阻力系数确定装置，包括隧道模型主体3及调节装置，隧道模型主体3为管状结构，调节装置安装在隧道模型主体3的末端，调节装置能够调节隧道末端开口的大小。调节装置包括两个调节环1(调节环1的数量可以多于两个)及自攻螺丝2，两个调节环1的直径不同，所述的调节环根据直径的大小依次排列，相邻的调节环通过自攻螺丝2同轴连接，直径较小的调节环位于直径较大调节环的外侧。最大直径的调节环固通过自攻螺钉定在隧道模型主体3的末端，实现调节装置在隧道模型主体3末端的固定。

从小到大依次拆卸调节环，每拆下一调节环，测量此时的风速与出风口半径，直至拆下所有的调节环。出风口半径从大到小依次为R

本发明的具体实施步骤如下：

1)测量初始状态下的出风口的半径与出风口处风速；

2)从外向内依次拆下调节环，每拆下一个后测量此时出风口的半径与出风口处风速，直至调节环全部拆下；然后将出风口的半径从大到小依次计作R

3)计算隧道模型主体的压损P

a)将出风口半径为R

式中：P

λ—摩擦阻力系数，无量纲数；

ρ—隧道内空气密度，kg/m

D—隧道模型主体的内径，D＝2R

v

L

b)依次计算出风口半径为R

式中：P

L

c)依次计算出风口半径从R

式中：P

△L

4)计算出隧道模型主体的摩擦阻力系数λ：

a)出风口面积发生改变会引起局部阻力变化，其局部损失计算公式如公式(4)所示：

式中：ξ为局部阻力系数；

b)在出风口面积突然缩小时，对应的局部阻力系数ξ表达式如公式(5)所示：

式中：A

A

c)将公式A

d)将公式(6)代入公式(4)，得到公式(7)

e)因P

f)将公式(8)进行调整变化得到公式(9)：

根据公式(9)，出风口风速与出风口半径通过测量得出，根据所需的隧道模型主体的当量长度确定L

下面是一个具体的实施例：

以下数据为某实验室中一隧道模型为例进行实验测量。

关闭其他出风口，仅留实验所需出风口，打开风机，风机频率为20.8Hz，其它数据不变，依次打开控制环，测量控制环半径，隧道模型主体长度L

表1

选定不同的实验所需相对长度L依次代入表1，得出具体数值表2，结果如图4所示。

表2.λ数值表