一種水流模擬建築風環境的實驗裝置製造方法
2023-06-13 05:18:06 4
一種水流模擬建築風環境的實驗裝置製造方法
【專利摘要】一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，包括風環境模擬系統和視覺體察系統，風環境模擬系統包括箱形結構的主箱體，主箱體中部由擋板分隔為一側相通的內區和外區，內區進一步被活動擋板分隔為緩衝區和實驗區，外區靠近緩衝區一側設有潛水泵，緩衝區與實驗區之間還設置有活動的格柵，建築模型固定在實驗區，視覺體察系統包括影像採集單元和支撐裝置。使用時，主箱體充水後，潛水泵作用製造循環水流流過建築模型，通過水流模擬建築內外的風環境作用，影像採集單元採集記錄水流運動軌跡的實驗數據。本實驗裝置設計精巧、結構緊湊、操作方便，模擬相似度高，並且由於體積小巧、便於攜帶、成本低廉而特別適用於課堂教學、實驗活動。
【專利說明】一種水流模擬建築風環境的實驗裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種建築風環境試驗測試裝置，更具體地，涉及一種水流模擬建築風環境的實驗裝置。
【背景技術】
[0002]隨著現代生活水平的不斷提高，人們對建築的功能要求也日益提高，特別是要求保持建築物室內外的良好通風同時避免廢氣回流，營造人體生理舒適度高的建築室內環境，並通過良好的自然通風來減少使用空調，降低日益激增的建築能耗。因此，建築風環境研究已成為現代建築設計研究的一項非常重要的課題，越來越受到行業內的密切關注和重視。同時，建築風環境認知、研究也是建築設計教學、實踐的重要內容，並且由於其重要的研究價值和良好的發展前景而成為學生非常關注並感興趣的方向之一。
[0003]目前用於建築風環境研究的手段通常有風洞實驗和計算機模擬預測兩種。採用風洞(wind tunnel)模擬建築風環境的方式,雖然能夠比較準確地控制試驗條件,但所需的實驗環境規模較大，試驗儀器昂貴、運轉費用高，而且實驗地點固定，不利於教學場合，因此不能滿足不同類型建築物的風環境模擬測試需要，並由於其成本高昂也難以適用教學活動需要。計算機模擬預測風環境的優點在於靈活性和反覆模擬功能，但是由於其建模缺乏統一可信的測量尺寸，往往無法適用於複雜建築形體的室內外風環境和精確的風速風向，使實驗結果與實際情況存在較大差異，並且存在教學直觀性不強等問題。因此，在相關領域亟需尋找更為完善、便於操控的模擬方式，以便實現在工程設計和教學過程中更好地實現對建築風環境的認知及研究。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的建築風環境實驗裝置的缺陷和改進需求，本發明目的在於提供一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，包括風環境模擬系統和視覺體察系統，風環境模擬系統製造循環水流流過微縮的建築模型，通過水流模擬建築內外的風環境作用，視覺體察體系採集記錄建築風環境作用軌跡以便進一步的深入研究，本實驗裝置設計精巧、結構緊湊、操作方便，模擬相似度高，實驗結果有較高的研究參考價值，並且由於體積小巧、便於攜帶、成本低廉而特別適用於課堂教學、實驗活動。
[0005]本發明為解決技術問題採用的技術方案是:
[0006]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，包括風環境模擬系統和視覺體察系統，所述風環境模擬系統包括主箱體，所述主箱體為上部開口的矩形箱體結構，所述主箱體的中部由兩塊平行於主箱體長邊且固定在底板上的固定擋板和一塊平行於主箱體短邊的可抽取式的活動擋板圍護成一側開口的矩形箱體結構的內區，所述內區的四周為外區，所述內區的內部由一塊平行於主箱體短邊的可抽取式的活動擋板進一步分隔為緩衝區和實驗區，其中開口一端為實驗區，所述緩衝區與實驗區的相鄰處還設置有可抽取式的格柵，所述實驗區內固定有建築模型，所述外區與緩衝區相連的一側設置有潛水泵，所述視覺體察系統包括影像採集單元和支撐裝置，所述影像採集單元通過支撐裝置連接在主箱體的上方。
[0007]—種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述實驗裝置還包括建築模型固定裝置，所述建築模型固定裝置由模型平臺、調平螺栓和固定槽組成，所述模型平臺通過調平螺栓固定在實驗區的底板上，所述模型平臺的上表面還固定有兩個平行的固定槽，所述建築模型的兩條平行的外邊緣分別固定在兩個固定槽內。
[0008]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述視覺體察系統還包括實驗數據顯示分析工具，所述影像採集單元與實驗數據顯示分析工具相連，並將採集的實驗數據輸入實驗數據顯示分析工具。
[0009]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述支撐裝置包括可伸縮的豎支架、橫支架和滑杆，所述可伸縮的豎支架為4根，底部分別固定在底板上的實驗區四個頂點處，橫支架為2根，分別固定在豎支架的頂部並與主體箱體的長邊相平行，所述橫支架上設有軸向滑槽，所述滑杆的兩端分別裝有滑輪，所述滑杆通過滑輪固定在橫支架的滑槽中並可沿滑槽滑動，所述影像採集單元固定在滑杆上。
[0010]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述實驗裝置還包括染色裝置，所述染色裝置包括裝有色顏料的有色顏料管，所述有色顏料管的兩端裝有滑輪，所述有色顏料管通過滑輪固定在橫支架的滑槽中並可沿滑槽滑動，所述有色顏料管的下方設有開口.[0011]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述有色顏料管的開口為設在下方的一排圓孔，所述有色顏料管的內部設有螺旋閥門，轉動螺旋閥門可使下方的一排圓孔同時開啟或關閉。
[0012]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述有色顏料管的上部設有加注口，所述有色顏料管一端還設置有色顏料表。
[0013]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述格柵為兩片以上，每片格柵具有不同的規格。
[0014]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述實驗裝置還包括頂蓋，所述頂蓋與主箱體相鉸接，所述頂蓋轉動時可以開啟或關閉主箱體。
[0015]一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，所述主箱體的一側的下部設有出水口，所述主箱體的底部設有萬向輪。
[0016]與現有技術相比，本發明的有益效果為:
[0017]1、風環境模擬系統製造循環水流流經建築模型，在水流分區的作用下，流經內部實驗區建築模型的水流近似穩態平行水流，從而模擬流體(實際條件下為風)作用於建築物時的運動方式及軌跡，實現在一定精度下通過簡單易行的方式對建築模型周邊風環境的模擬實驗，結構簡單、操作方便、實驗效果直觀生動。
[0018]2、視覺體察系統由影像採集單元和支撐裝置組成，可全過程採集、記錄水流(實際條件下為風)作用於建築物時的運動方式及軌跡，還可以進一步與實驗數據顯示分析工具連接，將實驗結果輸入實驗數據顯示分析工具，便於進行更直觀的顯示或深入的分析研究。
[0019]3、影像採集單元固定在支撐裝置上並可沿觀測面XY 二軸方向自由移動，便於實現不同視高和視點的影像採集，以獲得效果更佳的影像數據。
[0020]4、設有染色裝置，可方便地將實驗區的水流均勻染色，便於觀察水流的運動軌跡，並且染色裝置功能完善、操作簡單。[0021]5、實驗區的前方設置有可調節的格柵，可根據實驗要求更換不同規格的格柵，以調節進入實驗區的水流速度、流量、方向，模擬不同建築風環境的作用效果。
[0022]6、本發明的實驗裝置整體安裝在可開啟關閉的箱體內，結構緊湊，便於攜帶，對零碎的實驗構件有很好的保護作用，因而特別適用於建築風環境課堂教學、實驗活動或其他類似的用途。
[0023]7、本發明的實驗裝置將想像思維認知賦予直觀的演示，將建築技術試驗與建築設計認知相結合，因而可作為建築風環境設計教學與相關分析研究的重要輔助手段。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明水流模擬建築風環境的實驗裝置的整體結構示意圖。
[0025]圖2為本發明水流模擬建築風環境的實驗裝置的水循環示意圖。
[0026]圖3為本發明水流模擬建築風環境的實驗裝置的短軸剖面圖。
[0027]圖4為本發明水流模擬建築風環境的實驗裝置的長軸剖面圖。
[0028]圖5為本發明水流模擬建築風環境的實驗裝置的建築模型固定裝置的結構示意圖。
[0029]圖6為本發明水流模擬建築風環境的實驗裝置的染色裝置的結構示意圖。
[0030]圖7為本發明水流模擬建築風環境的實驗裝置的收納狀態示意圖。
[0031]圖8為本發明水流模擬建築風環境的實驗裝置的開啟狀態示意圖。
[0032]圖中:主箱體1，底板2，固定擋板3，活動擋板4，格柵5，潛水泵6，萬向輪7，模型平臺8，調平螺栓9，固定槽10，建築模型11，有色顏料管12，螺旋閥門13，加注口 14，有色顏料表15，卡槽16，豎支架17，橫支架18，滑杆19，影像採集單元20，固定旋鈕21，滑輪22，頂蓋23，出水口 24。
【具體實施方式】
[0033]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
[0034]參見圖1和圖2，本發明的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，包括風環境模擬系統和視覺體察系統。風環境模擬系統包括主箱體1，主箱體I為上部開口的矩形箱體結構。主箱體I的中部由兩塊平行於主箱體I長邊且固定在底板2上的固定擋板3和一塊平行於主箱體I短邊的可抽取的活動擋板4圍護成一側開口的矩形箱體結構的內區，內區的四周為外區。其中，固定擋板3與底板2的連接可採用焊接，活動擋板4通過卡槽16固定在底板2上。內區的內部由一塊平行於主箱體I短邊的可抽取式的活動擋板4進一步分隔為緩衝區和實驗區，其中開口一端為實驗區。緩衝區與實驗區的相鄰處還設置有可抽取式的格柵5,格柵5可通過卡槽16固定在底板2上。實驗區內固定有建築模型11，外區與緩衝區相連的一側設置有潛水泵6，潛水泵6用於為水流提供流動動力。視覺體察系統包括影像採集單元20和支撐裝置，影像採集單元20通過支撐裝置連接在主箱體I的上方。
[0035]本發明的水流模擬建築風環境實驗裝置的原理為:主箱體I的水在潛水泵6的帶動下，經外區流入緩衝區，在緩衝區形成穩定勻速的水流之後進入實驗區，根據相似性原理，流經實驗區內的建築模型的水流，即可模擬近似流體的環境風，即以水流的流速、方向和運動軌跡等模擬環境風的風速、風向、運動軌跡等。水流自實驗區流出後，在潛水泵6形成的水壓差作用下回流至潛水泵6處，循環重複流動。固定在主箱體I上方的影像採集單元20可連續拍攝實驗區的水流影像，記錄肉眼無法辨別的微小的影像變化，採集並存儲實驗結果。
[0036]參見圖3和圖4，本發明的水流模擬建築風環境的實驗裝置，支撐裝置包括可伸縮的豎支架17、橫支架18和滑杆19。可伸縮的豎支架17為4根，其底部分別固定在底板2上的實驗區四個頂點處。為增大實驗裝置的適用範圍，得到更好的拍攝效果，豎支架17可製成可伸縮的多節結構，其高度可以伸縮調節，當調節到合適高度時，可通過設置在每個豎支架17上的固定旋鈕21進行固定。橫支架18為2根，分別固定在豎支架17的頂部，橫支架18與主箱體I的長邊平行，橫支架18上還設有軸向滑槽。滑杆19的兩端分別裝有滑輪22，滑杆19通過滑輪22支撐在橫支架18的滑槽中並可沿滑槽滑動。影像採集單元20固定在滑杆19上。影像採集單元20位於實驗區上方並可隨滑杆19在整個實驗區上滑動，便於從不同位置拍攝記錄水流(模擬風環境)的運動軌跡，得到效果更佳、記錄更全面的實驗數據，便於後續的研究分析。
[0037]參見圖5，本發明的水流模擬建築風環境的實驗裝置，還可以包括建築模型固定裝置，由模型平臺8、調平螺栓9和固定槽10組成。模型平臺8通過調平螺栓9固定在實驗區的底板2上，調平螺栓9通常為4個。在模型平臺8的上表面還固定有兩個平行的固定槽10，建築模型11的兩條平行的外邊緣分別固定在兩個固定槽10內。按照一定比例製作的防水建築模型11通過固定槽10與模型平臺8固定，調平螺栓9用於將模型平臺8以及其上的建築模型11固定在底板2上，並且旋轉調平螺栓9可以方便地調節模型平臺8的高度，以得到最佳的實驗效果。
[0038]參見圖6，本發明的水流模擬建築風環境的實驗裝置，為了更清楚地顯示水流(模擬風環境)的運動軌跡，還可以設置染色裝置，將實驗區的流水染成便於觀察的顏色。染色裝置包括裝有有色顏料的有色顏料管12，有色顏料管12上設有開口，方便滴出有色顏料用於染色。為便於固定有色顏料管12以及方便染色，可在有色顏料管12的兩端裝有滑輪22，使有色顏料管12通過滑輪22支撐在橫支架18的滑槽中並可沿滑槽滑動，從而使有色顏料管12固定於實驗區上方，有色顏料能夠通過下部的開口直接滴入實驗區，將流水染色。
[0039]為進一步方便控制染色過程，還可將有色顏料管12的下部開口設為一排圓孔，並在有色顏料管12的內部設有螺旋閥門13，轉動螺旋閥門13可使下部的一排圓孔同時開啟或關閉，使實驗區同一截面的流水均勻染色。
[0040]為進一步保證有色顏料管12內的有色顏料的存儲量，以及方便在存儲量不足的情況下及時補入有色顏料，還可以在有色顏料管12 —端還設置顯示有色顏料餘量的有色顏料表15，以及在有色顏料管12的上部設加注口 14。
[0041]本發明的水流模擬建築風環境的實驗裝置，視覺體察系統還可以進一步地包括實驗數據顯示分析工具，影像採集單元20與實驗數據顯示分析工具相連，並將採集的實驗數據輸入實驗數據顯示分析工具。實驗數據顯示工具通常為投影儀，實驗數據分析工具通常為計算機。實驗數據輸入計算機後，可通過專用軟體對水流的運動情況進行定量分析，從而得到待模擬建築的環境氣流風向與風速的定性關係，以進行建築設計及建築物理的理論研究及應用。實驗數據輸入投影儀後，便於在課堂顯示實驗結果，增強教學的直觀性。
[0042]本發明的水流模擬建築風環境的實驗裝置，格柵5可以為兩片以上，每片格柵5具有不同的規格。使用時可更換不同形狀尺寸柵縫、不同柵距的格柵，即可形成不同流速、流量的水流，非常方便地模擬不同風速、風量的建築風環境，擴大實驗範圍，增強實驗效果。
[0043]為便於攜帶和保護本實驗裝置，還包括設置頂蓋23，頂蓋23與主箱體I相鉸接，頂蓋23轉動時可以開啟或關閉主箱體I。參見圖7和圖8，本實驗裝置的收納和開啟狀態示意圖。頂蓋23閉合時，實驗裝置全部構件收納於箱體內，起到很好的保護作用。
[0044]本發明的水流模擬建築風環境的實驗裝置，為方便使用，還可以在主箱體I的一側的下部設有出水口 24，實驗結束後，可以方便地將主箱體I內的水排除。為方便自由移動和固定，還可以在主箱體I的底部設置萬向輪7。
[0045]本發明的水流模擬建築風環境的實驗裝置，為防止滲水導致實驗產生誤差，還可以在固定檔板3與底板2的連接部位、活動擋板4與卡槽16的連接部位用密封玻璃膠或者密封橡膠進行密封。
[0046]本發明的水流模擬建築風環境的實驗裝置的使用步驟為:
[0047]1、安裝風環境模擬系統，包括:將實驗裝置置於水平的工作檯上，打開頂蓋23 ;旋轉調平螺栓9使模型平臺8至合適高度並保持水平，並將待進行模擬的等比例防水建築模型11用固定槽10固定在模型平臺8上；觀察有色顏料表15以察看有色顏料管12內的顏料是否足夠，若不足則通過加注口 14內加入所需顏料；在外區與緩衝區、緩衝區與實驗區之間分別插入活動擋板4，並用活塞堵住出水口 24。
[0048]2、安裝視覺體察系統。調整可伸縮的豎支架17至合適高度後，旋轉固定旋鈕21加以固定；將調整影像採集單元20至最佳觀察位置，然後打開影像採集單元20，並與電腦和投影儀連接。
[0049]3、注水並啟動水循環，包括:向主箱體I內部加水至水槽高度3/4處；接通潛水泵6電源，調試影像採集單元20直至達到最佳實驗畫面；抽出外區與緩衝區的活動擋板4，使潛水泵6對緩衝區內部注水；當緩衝區水面高度達到擋板高度3/4時，抽出緩衝區與實驗區的活動擋板4，保留格柵5，向實驗區注水。
[0050]4、調節得到穩態水流，包括:觀察水流的流動情況，適當調整模型平臺8高度、調整格柵5位置、調節潛水泵6使用功率及影像採集單元20的拍攝位置，直至得到穩定的水循環過程，使實驗區水流近似穩態平行，並使影像採集單元20得到最佳的拍攝效果。
[0051]5、正式實驗，包括:開啟螺旋閥門13，使有色顏料滴下數滴後關閉螺旋閥門13 ;觀察有色顏料在水流中的運動情況；利用影像採集單元20記錄實驗區的穩態水流以及有色顏料在水流中的運動情況，即得到建築風環境模擬實驗的實驗結果；將實驗結果輸入電腦和投影儀進行播放或者存儲；調節潛水泵6的功率、更換不同的格柵5可以模擬不同風速下建築的風環境，進行對比試驗。
[0052]6、實驗結果分析，包括:計算機通過專用軟體對採集拍攝得到的實驗結果進行分析，從而得到待模擬建築的環境氣流風向與風速的定性關係，輔助研究建築設計及建築物理研究的相關課題。
【權利要求】
1.一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:包括風環境模擬系統和視覺體察系統； 所述風環境模擬系統包括主箱體(I)，所述主箱體(I)為上部開口的矩形箱體結構，所述主箱體(I)的中部由兩塊平行於主箱體(I)長邊且固定在底板(2)上的固定擋板(3)和一塊平行於主箱體(I)短邊的可抽取式的活動擋板(4)圍護成一側開口的矩形箱體結構的內區，所述內區的四周為外區，所述內區的內部由一塊平行於主箱體(I)短邊的可抽取式的活動擋板(4)進一步分隔為緩衝區和實驗區，其中開口一端為實驗區，所述緩衝區與實驗區的相鄰處還設置有可抽取式的格柵(5)，所述實驗區內固定有建築模型(11)，所述外區與緩衝區相連的一側設置有潛水泵(6)； 所述視覺體察系統包括影像採集單元(20)和支撐裝置，所述影像採集單元(20)通過支撐裝置連接在主箱體(I)的上方。
2.根據權利要求1所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述實驗裝置還包括建築模型固定裝置，所述建築模型固定裝置由模型平臺(8)、調平螺栓(9)和固定槽(10)組成，所述模型平臺(8)通過調平螺栓(9)固定在實驗區的底板(2)上，所述模型平臺(8)的上表面還固定有兩個平行的固定槽(10)，所述建築模型(11)的兩條平行的外邊緣分別固定在兩個固定槽(10)內。
3.根據權利要求1所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述視覺體察系統還包括實驗數據顯示分析工具，所述影像採集單元(20 )與實驗數據顯示分析工具相連，並將採集的實驗數據輸入實驗數據顯示分析工具。
4.根據權利要求1中所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述支撐裝置包括可伸縮的豎支架(17)、橫支架(18)和滑杆(19)，所述可伸縮的豎支架(17)為4根，底部分別固定在底板(2)上的實驗區四個頂點處，橫支架(18)為2根，分別固定在豎支架(17)的頂部並與主箱.體(I)的長邊相平行，所述橫支架(18)上設有軸向滑槽，所述滑杆(19)的兩端分別裝有滑輪(22)，所述滑杆(19)通過滑輪(22)固定在橫支架(18)的滑槽中並可沿滑槽滑動，所述影像採集單元(20)固定在滑杆(19)上。
5.根據權利要求1所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述實驗裝置還包括染色裝置，所述染色裝置包括裝有色顏料的有色顏料管(12)，所述有色顏料管(12 )的兩端裝有滑輪(22 )，所述有色顏料管(12)通過滑輪(22 )固定在橫支架(18 )的滑槽中並可沿滑槽滑動，所述有色顏料管(12)的下方設有開口。
6.根據權利要求5所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述有色顏料管(12)的開口為設在下方的一排圓孔，所述有色顏料管(12)的內部設有螺旋閥門(13)，轉動螺旋閥門(13)可使下方的一排圓孔同時開啟或關閉。
7.根據權利要求6所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述有色顏料管(12)的上部設有加注口( 14)，所述有色顏料管(12)—端還設置有色顏料表(15)。
8.根據權利要求1所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述格柵(5)為兩片以上，每片格柵(5)具有不同的規格。
9.根據權利要求1所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述實驗裝置還包括頂蓋(23)，所述頂蓋(23)與主箱體(I)相鉸接，所述頂蓋(23)轉動時可以開啟或關閉主箱體(I)。
10.根據權利要求1所述的一種水流模擬建築風環境的實驗裝置，其特徵在於:所述主箱體(1)的一側的下部設有出水口(24)，所述主箱體(1)的底部設有萬向輪(7)。
【文檔編號】G09B25/04GK103473980SQ201310397247
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】雷祖康, 肖路, 李心瑤, 盛毅, 劉小虎 申請人:華中科技大學