适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置及其使用方法，其中装置包括热线发烟系统、连续滴油系统和照明记录系统；热线发烟系统包括金属丝、电流控制器和绝缘框架，金属丝经过电流控制器与电源相连，绝缘框架可拆卸地设置于风洞内，绝缘框架上设置有透风孔，金属丝竖直固定于透风孔处；连续滴油系统设置于风洞外部，包括储油盒、速度控制器和吸油纸，储油盒通过导油结构与金属丝的上端相连，速度控制器设置于导油结构处，吸油纸设置于金属丝下端；照明记录系统包括照明灯和高速相机，高速相机设置于风洞的观察窗外侧。本发明通过将风环境进行可视化处理，使建筑师能够形象地理解建筑几何所带来的的风环境现象。

权利要求

1.一种适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，其特征在于，包括热线发烟系统、连续滴油系统和照明记录系统；所述热线发烟系统包括金属丝、电流控制器、绝缘且耐高温的固体夹紧块和绝缘框架，所述金属丝经过所述电流控制器与电源相连，所述绝缘框架可拆卸地设置于风洞内，所述绝缘框架上设置有透风孔，所述金属丝竖直固定于所述透风孔处；所述连续滴油系统设置于所述风洞外部，包括储油盒、速度控制器和吸油纸，所述储油盒通过导油结构与所述金属丝的上端相连，所述速度控制器设置于所述导油结构处，所述吸油纸设置于所述金属丝下端；所述照明记录系统包括照明灯和高速相机，所述照明灯设置于所述风洞内，所述高速相机设置于所述风洞的观察窗外侧；

所述导油结构包括三通节点和软管，所述金属丝上端穿过所述三通节点的一个支路并通过所述绝缘且耐高温的固体夹紧块夹紧，所述三通节点的另一支路通过所述软管与所述储油盒相连，所述速度控制器设置于所述软管处；

所述绝缘框架的下部设置有凹槽，所述吸油纸内嵌于所述凹槽处，所述吸油纸的中心开有用于穿过所述金属丝的通孔。

2.根据权利要求1所述的适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，其特征在于，所述金属丝为镍铬丝。

3.根据权利要求1所述的适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，其特征在于，与所述观察窗相对的所述风洞的内壁处设置有内衬板，所述内衬板为透明板，所述内衬板的迎光面刻有均匀网格，所述内衬板的背光面喷涂有底漆。

4.根据权利要求1所述的适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，其特征在于，所述风洞包括依次可拆卸连接的稳定段、收缩段、试验段、扩散段和风机段，所述风机段处设置有风扇，所述适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置设置于所述试验段处。

5.根据权利要求4所述的适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，其特征在于，所述风扇为轴流风机，所述轴流风机通过风扇变压器与电源相连。

6.根据权利要求1所述的适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，其特征在于，所述照明灯为LED灯带，所述LED灯带平行于所述风洞的轴向设置于所述风洞上部内壁处。

7.根据权利要求6所述的适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，其特征在于，所述照明记录系统还包括固定支架，所述固定支架设置于所述风洞上部的内壁处，所述LED灯带包括面包板和固定于所述面包板上的多个LED灯，所述面包板固定于所述固定支架上。

8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取建筑所在场地的气象数据，其中包括风速、风向、风频，作为试验的基本条件；

2)将等比例缩放的设计模型，放置于风洞的中心，保持金属丝为张紧状态；

3)在储油盒中添加适量油液，放置或更换吸油纸，调整速度控制器使得油滴匀速下落并浸润所述金属丝，油滴在所述金属丝上间隔一段距离形成一系列微小的油珠；

4)打开电流控制器后所述金属丝开始发热，油液在所述金属丝上形成的小油珠受热发烟；

5)打开所述风洞的风扇开关，调整风速至满足试验需求；

6)接通照明灯的电源，开启高速相机进行拍摄。

说明书

适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及风环境模拟技术领域，特别是涉及一种适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置及其使用方法。

背景技术

[0002] 建筑物附近的气流大小和方向直接影响人们的居住体验，而气流特点和建筑物的形态是密切相关的，因而气流是建筑师在设计建筑时必须考虑的一个因素。

[0003] 目前，大多数的建筑风洞主要用于建筑后期的模拟验证及评估，对于建筑形态和布局的改善作用十分有限。建筑风洞通常选用皮托管进行取点式测量，将空气压力转化成风速，从而描述建筑周围的流场。但这种测量方式需要耗费大量的时间，导致整体工程的工期延长，并且难以描述多变风向。而现有的PIV(Particle ImageVelocimetry)粒子图像系统价格昂贵，操作复杂，无法满足建筑师在设计前期对空气流动与建筑不同形态及布局关系的快速理解。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置及其使用方法，通过将风洞中建筑模型周围的空气流动进行可视化处理，并利用相机进行记录，以图解的方式呈现空气流动与建筑形体间的相互关系，从而满足建筑师在建筑初期的设计需求。

[0005] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0006] 本发明提供一种适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，包括热线发烟系统、连续滴油系统和照明记录系统；所述热线发烟系统包括金属丝、电流控制器和绝缘框架，所述金属丝经过所述电流控制器与电源相连，所述绝缘框架可拆卸地设置于风洞内，所述绝缘框架上设置有透风孔，所述金属丝竖直固定于所述透风孔处；所述连续滴油系统设置于所述风洞外部，包括储油盒、速度控制器和吸油纸，所述储油盒通过导油结构与所述金属丝的上端相连，所述速度控制器设置于所述导油结构处，所述吸油纸设置于所述金属丝下端；所述照明记录系统包括照明灯和高速相机，所述照明灯设置于所述风洞内，所述高速相机设置于所述风洞的观察窗外侧。

[0007] 优选地，所述金属丝为镍铬丝。

[0008] 优选地，所述导油结构包括三通节点和软管，所述金属丝上端穿过所述三通节点的一个支路，所述三通节点的另一支路通过所述软管与所述储油盒相连，所述速度控制器设置于所述软管处。

[0009] 优选地，与所述观察窗相对的所述风洞的内壁处设置有内衬板，所述内衬板为透明板，所述内衬板的迎光面刻有均匀网格，所述内衬板的背光面喷涂有底漆。

[0010] 优选地，所述风洞包括依次可拆卸连接的稳定段、收缩段、试验段、扩散段和风机段，所述风机段处设置有风扇，所述适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置设置于所述试验段处。

[0011] 优选地，所述风扇为轴流风机，所述轴流风机通过风扇变压器与电源相连。

[0012] 优选地，所述照明灯为LED灯带，所述LED灯带平行于所述风洞的轴向设置于所述风洞上部内壁处。

[0013] 优选地，所述照明记录系统还包括固定支架，所述固定支架设置于所述风洞上部的内壁处，所述LED灯带包括面包板和固定于所述面包板上的多个LED灯，所述面包板固定于所述固定支架上。

[0014] 本发明还提供一种适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置的使用方法，包括以下步骤：

[0015] 1)获取建筑所在场地的气象数据，其中包括风速、风向、风频等，作为试验的基本条件；

[0016] 2)将等比例缩放的设计模型，放置于风洞的中心，保持金属丝为张紧状态；

[0017] 3)在储油盒中添加适量油液，放置或更换吸油纸，调整速度控制器使得油滴匀速下落并浸润所述金属丝，油滴在所述金属丝上间隔一段距离形成一系列微小的油珠；

[0018] 4)打开电流控制器后所述金属丝开始发热，油液在所述金属丝上形成的小油珠受热发烟；

[0019] 5)打开所述风洞的风扇开关，调整风速至满足试验需求；

[0020] 6)接通照明灯的电源，开启高速相机进行拍摄。

[0021] 本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

[0022] 建筑师的传统教育被视觉和图解化的思维所主导，由于风环境的不可见性，风环境设计理论很难被建筑师运用到设计初期阶段。本发明通过将风环境进行可视化处理，使建筑师能够形象地理解建筑几何所带来的的风环境现象，包括峡谷效应、紊流、气流加速和偏转等等。因此，对建筑师而言，风环境可视化将知识和图像化的思维结合，成为搭接设计和风动力学知识的桥梁。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明中风洞的结构示意图；

[0025] 图2为本发明中热线发烟系统的结构示意图；

[0026] 图3为图2的局部放大图；

[0027] 图4为本发明中照明记录系统的结构示意图；

[0028] 图5为图4的局部放大图；

[0029] 附图标记说明：1、稳定段；2、收缩段；3、试验段；4、扩散段；5、风机段；6、风扇变压器；7、金属丝；8、电流控制器；9、绝缘框架；10、电石块；11、油液；12、储油盒；13、速度控制器；14、三通节点；15、吸油纸；16、LED灯；17、arduino板；18、面包板；19、跨接线；20、设计模型；21、内衬板；22、固定支架；23、高速相机。

具体实施方式

[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0031] 本发明的目的是提供一种适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置及其使用方法，通过将风洞中建筑模型周围的空气流动进行可视化处理，并利用相机进行记录，以图解的方式呈现空气流动与建筑形体间的相互关系，从而满足建筑师在建筑初期的设计需求。

[0032] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0033] 如图1-5所示，本发明提供一种适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置，包括热线发烟系统、连续滴油系统和照明记录系统。该风洞流场可视化装置与风洞组合使用，所述风洞为直流吸力低速风洞，包括依次可拆卸连接的稳定段1、收缩段2、试验段3、扩散段4和风机段5。风洞壁面以激光切割而成的胶合板与有机玻璃板为主要材料，以便于后期改装。风机段5设置有轴流风机，试验段3设置有观察窗，轴流风机通过风扇变压器6与电源相连。选用测量精度为0.1m/s的TESTO405V1型号热线风速计对风洞空腔状态的风速进行测量和记录后，风洞可以实现0.5m/s-10m/s区间内的任意风速。本发明提供的适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置安装于风洞的试验段3。

[0034] 热线发烟系统包括金属丝7、电流控制器8、绝缘框架9和电石块10。绝缘框架9的尺寸为570mmx390mmx40mm，截面为U型，凹槽向内。绝缘框架9通过螺丝固定于试验段3内上风向侧，绝缘框架9上设置有透风孔，金属丝7竖直固定于透风孔处。金属丝7的直径为0.5mm，长度为600mm。金属丝7的上端穿出试验段3顶部，金属丝7的下端固定于绝缘框架9内侧。电石块10设置于试验段3顶部外侧，电石块10间预留缝隙，用以夹紧金属丝7上端，使金属丝7保持张紧状态。电石块10仅作为夹紧用，可以用其他绝缘且耐高温的固体材料代替。电流控制器8设置于试验段3外侧，并与电源相连。金属丝7的上下两端分别通过导线连接到电流控制器8的正负极，使得金属丝7的加热温度可控。

[0035] 连续滴油系统设置于试验段3外部，用于为金属丝7持续补充油液11。连续滴油系统包括储油盒12、速度控制器13、三通节点14和吸油纸15。金属丝7上端穿过三通节点14的一个支路，三通节点14的另一个支路通过橡胶软管与储油盒12相连，速度控制器13设置于橡胶软管处。通过三通节点14的设置，使得油液11在金属丝7上的吸附更充分、更均匀。速度控制器13为倒锥形并配有滚轮，通过来回滑动滚轮可以不同程度地挤压橡胶软管，从而控制储油盒12内油液11的流量大小。绝缘框架9的下部设置有凹槽，凹槽处内嵌有激光切割而成的特定尺寸的吸油纸15。吸油纸15的中心开有小孔，用于穿过金属丝7。通过吸油纸15将甘油回收，提高了甘油的利用率，避免污染风洞。

[0036] 照明记录系统包括LED灯16、arduino板17、面包板18、跨接线19、内衬板21、固定支架22和高速相机23。LED灯16的直径为1.8mm，亮度为50-150MCD，电压为2.0-2.2V。高速相机23设置于风洞的观察窗外侧。内衬板21为有机玻璃板，固定于试验段3上与观察窗相对的内壁处。内衬板21的迎光面用激光雕刻有距离为1cm的均匀网格，内衬板21的背光面喷涂有底漆。固定支架22为不锈钢弯折而成的倒U形槽结构，设置于试验段3顶部外侧的中心线处。固定支架22的两端分别架设于试验段3与收缩段2、扩散段4的交界处，固定支架22的开口与试验段3内部空间连通。多个LED灯16呈线状安装于面包板18上，形成LED灯带，面包板18胶接于固定支架22的槽内底面上。多个LED灯带在固定支架22上等距间隔分布，相邻LED灯带间通过跨接线19电连接，一端的LED灯带通过跨接线19分别插入arduino板17的正负极，arduino板17通电后，LED灯16即被点亮。

[0037] 上述适用于建筑设计初期的风洞流场可视化装置的使用方法如下：

[0038] 1)获取建筑所在场地的气象数据，其中包括风速、风向、风频等，作为试验的基本条件。

[0039] 2)将等比例缩放的设计模型20，放置于试验段3的中心，保持金属丝7为张紧状态。

[0040] 3)在储油盒12中添加适量油液11，放置或更换吸油纸15，调整速度控制器13使得油滴匀速下落并浸润金属丝7，油滴在金属丝7上间隔一段距离形成一系列微小的油珠。

[0041] 4)打开电流控制器8后金属丝7开始发热，油液11在金属丝7上形成的小油珠受热发烟，根据试验需要调整电流大小。

[0042] 5)打开风扇变压器6开关，轴流风机开始转动，调整风扇变压器6使得试验段3内风速满足试验需求。

[0043] 6)插上arduino板17的电源，LED灯16开始发光，开启高速相机23进行拍摄，对设计模型20周围的烟线流动进行高速连拍，形成系列图解，便于设计的优化。

[0044] 发明人经过反复试验，在对比多种试验材料后，最终选用镍铬丝作为发烟部件，选用甘油作为储油盒12内的油液11。在多种金属丝7中，镍铬丝的电阻加热特性、发热强度和韧性等综合性能更好；而甘油能够维持较长的发烟时间，流谱清晰，当风速在2m/s左右时发烟时间可达数秒，试验效果优于其它油液11。由于甘油的烟线为白色，为增强对比度，内衬板21的背光面选用黑色的哑光漆作为底漆。

[0045] 需要说明的是，本实施方式对主要结构的尺寸，金属丝7、油液11、内衬板21、固定支架22、底漆的材料和金属丝7、照明灯、导油结构的设置方式进行了举例说明，本领域技术人员也可根据实际需要选用其它尺寸、材料或设置方式，只要能实现风环境的可视化处理即可。

[0046] 本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。