一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验装置
技术领域
本发明涉及建筑模型新型多因素联合降雪全过程模拟试验
技术领域
，是一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验装置。背景技术
全球极端低温冰雪灾害频发，积雪导致建筑物、构筑物倒塌事故不断增加，建筑结构的抗雪形式十分严峻。以我国为例，据报道统计，2015年11月，我国中部地区普降大雪，多省发生雪致房屋倒塌事故，损坏房屋超千间；2018年1月，中部两场大雪也造成400余间房屋倒塌及1900余间受损。在日本、美国、加拿大及挪威等国，类似事故也时常发生。而在国内外自2008年起发生的近百起雪致工程灾害中，跨度较大的空间结构(网架网壳占25％，空间桁架占18％)、钢悬挑结构与轻钢结构等对雪荷载敏感的结构类型居多。大跨空间结构具有屋面结构轻，屋面面积大，雪荷载占总荷载比例大的特点，其设计往往由雪荷载控制，属于对雪荷载敏感的结构。另一方面，大跨空间结构多应用于体育场馆、机场航站楼和火车站站房等人员十分密集、影响十分重大的公共建筑，因此，大跨空间结构的雪致工程灾害后果往往十分严重，正确掌握其屋面雪荷载的设计方法意义尤为重大。
大量灾后调查结果表明：对屋面积雪的堆积机理与变化规律认识不清，特别是对风、雨、热等环境因素影响下屋面积雪的堆积-消融-结晶-堆积演变全过程机理的认识几乎为空白成为导致灾害的最根本原因。因此只有全面掌握了屋面积雪堆积的机理，才能对屋面雪荷载形成全面认识，并进行正确设计，从源头上保证结构的安全与可靠。目前雪荷载研究有三种方法，分别是现场实测、风洞试验和数值模拟。现场实测由于受气候和测量条件的限制，工作进展缓慢，基础数据十分匮乏。数值模拟虽然耗资少，设计周期短，但是缺乏实测以及实验数据的支持，并且缺乏一个统一的标准。目前来讲，风洞试验是中外学者研究雪荷载的主要手段，但应用现存的风洞(传统风洞、法国JV气象风洞、日本新庄CES风洞以及哈工大风雪联合试验系统等)进行试验时，存在一些对屋面积雪机理模拟，尤其是对太阳辐射热造成的积雪性质演变模拟不全面的问题，更无法进行12小时的太阳日照动态模拟。此类问题从根源上为大跨空间结构屋面雪荷载的研究造成影响，因此亟需开发一种可用于太阳辐射与积雪耦合实验的新型试验设备，为其研究提供可靠的数据支持。
发明内容
本发明为用于研究屋面积雪过程中考虑了太阳辐射的热力融雪机理，为深入开展大跨空间结构屋面雪荷载研究、规范修订以及大跨度屋盖设计提供可靠的实验数据。本发明提供了一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验装置，本发明提供了以下技术方案：
一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验装置，所述装置包括：热源升降模拟机构、太阳辐射模拟灯场、太阳强度标定装置和太阳强度控制系统，所述热源升降模拟机构的参照日出角度的不同进行灯场的角度调节，进行自日出直至日落的日照模拟；所述太阳辐射模拟灯场根据不同的角度进行光照强度的调节及滤光格栅的调节，以达到需求控制热源强度；通过所述太阳强度标定装置对太阳强度进行标定，通过控制所述太阳强度控制系统对太阳强度进行调整。
优选地，所述热源升降模拟机构按照12个小时对角度进行划分，每2个小时进行一个灯场的角度调节。
优选地，所述太阳辐射模拟灯场采用泛光灯。
优选地，所述装置还包括温度测试系统，所述系统包括温度传感器和温度保护开关，温度传感器和温度保护开关置于太阳辐射不到的区域，温度传感器和温度保护开关实时监测灯场的温度，并在控制系统中检测，一旦温度异常，温度≥65℃，进入保护状态，停止运行并报警提示，度传感器须至少每分钟记录一次数据。
优选地，所述太阳强度控制系统控制太阳强度标定装置，所述太阳强度控制系统记录灯具的使用时间和开关次数，同时也记录灯管的使用时间及次数，系统检测光源的电流。
优选地，太阳强度标定装置包括日照传感器和镇流器，每一个灯头连接一个镇流器，根据需要的辐射强度，给灯泡两端提供持续稳定的电压和电流，补偿了电网波动和灯泡在使用寿命内的老化。
本发明具有以下有益效果：
本发明该试验设备充分考虑了由太阳辐射这一热源所导致融雪、再结晶过程。为大跨空间结构屋面积雪堆积-消融-结晶-堆积演变全过程模拟研究的问题提供重要了支持。本发明升降机构可以根据实际日出角度及时间的变化进行灯场的角度调节，按照12个小时对角度进行划分，每2个小时进行一个灯场的角度调节，更为合理地模拟了自然状态下的太阳全周期日光辐射过程，增加了了试验的可靠度。本发明通过对辐照灯光照强度、滤光格栅等装置的调节能够较为灵活地控制热源的强度大小，使得实验结果更加接近真实的融雪过程。
本发明利用高精度多任务监测与控制系统实时测量洞体内部辐射强度、光谱范围。实现对系统的远程控制及参数监视功能，避免意外情况发生，及时排除故障。
附图说明
图1为用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验设备示意图；
图2为用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验控制系统示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1至图2所示，本发明提供一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验装置，所述装置包括：热源升降模拟机构、太阳辐射模拟灯场、太阳强度标定装置和太阳强度控制系统，所述热源升降模拟机构的参照日出角度的不同进行灯场的角度调节，进行自日出直至日落的日照模拟；所述太阳辐射模拟灯场根据不同的角度进行光照强度的调节及滤光格栅的调节，以达到需求控制热源强度；通过所述太阳强度标定装置对太阳强度进行标定，通过控制所述太阳强度控制系统对太阳强度进行调整。
所述热源升降模拟机构按照12个小时对角度进行划分，每2个小时进行一个灯场的角度调节。
所述太阳辐射模拟灯场采用泛光灯，灯具的设计低维护，点火器整体硅胶包裹，适合使用在高低温仓或风洞，光源和滤片的配合，得到符合CIE-85Table 4/DIN75220标准的光谱分布。
一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验装置装置还包括温度测试系统，所述系统包括温度传感器和温度保护开关，温度传感器和温度保护开关置于太阳辐射不到的区域，温度传感器和温度保护开关实时监测灯场的温度，并在控制系统中检测，一旦温度异常，温度≥65℃，进入保护状态，停止运行并报警提示，度传感器须至少每分钟记录一次数据。
所述太阳强度控制系统控制太阳强度标定装置，所述太阳强度控制系统记录灯具的使用时间和开关次数，同时也记录灯管的使用时间及次数，系统检测光源的电流。
优选地，太阳强度标定装置包括日照传感器和镇流器，每一个灯头连接一个镇流器，根据需要的辐射强度，给灯泡两端提供持续稳定的电压和电流，补偿了电网波动和灯泡在使用寿命内的老化。
本发明的目的在于提供一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验设备，该设备可用于研究屋面积雪过程中考虑了太阳辐射的热力融雪机理，为深入开展大跨空间结构屋面雪荷载研究、规范修订以及大跨度屋盖设计提供可靠的实验数据。
作为多次降雪全过程模拟中时间跨度最大的部分，由日照导致的融雪、再结晶过程是屋面雪荷载研究的重要部分。为真实模拟全天候日照环境的变化，在试验段内架设日照装置和环形滑轨，通过辐射监测、控制系统来调节日照装置的距离、角度和辐射强度，进而再现各时段的日照环境。
本发明的工作过程和工作原理是：工作时，由升降模拟机构调节太阳辐射模拟灯场的角度，且不同的角度进行光照强度的调节及滤光格栅的调节，从而模拟自然发生的太阳全周期日照辐射作用。
本发明提出的一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验设备所能达到的技术指标为：1)功率：500～1200W/m2，均匀且连续可调；2)辐照调制精度：<±1％；3)波长范围：280～3000nm；4)辐射强度均匀性：<±10％；5)辐射强度稳定性：<±1％；6)太阳辐射光源使用寿命：≧1000h。
以上所述仅是一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验装置的优选实施方式，一种用于太阳辐射与积雪耦合实验的可调节热源试验装置的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
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