实验室模拟城市热岛实验装置

1.本实用新型涉及凝聚态领域，特别涉及一种实验室模拟城市热岛实验装置。

背景技术：

2.城市热岛效应是指城市因大量的人工发热、建筑物和道路等高蓄热体及绿地减少等因素，造成城市“高温化”，城市中的气温明显高于外围郊区的现象。在近地面温度图上，郊区气温变化很小，而城区则是一个高温区，就象突出海面的岛屿，由于这种岛屿代表高温的城市区域，所以就被形象地称为城市热岛。形成城市热岛效应的主要因素有城市下垫面、人工热源、绿地减少等多方面的因素。
3.因此亟需一种能够模拟城市热岛实验装置。

技术实现要素：

4.本实用新型解决的问题是提供一种能够模拟城市热岛的实验装置。
5.为解决上述问题，本实用新型提供一种实验室模拟城市热岛实验装置，用于测量可控城市热岛效应中的温度分布，包括：壳体，壳体限定有空腔；充满所述空腔的流体；顶板和底板，顶板与壳体的顶部可拆卸地紧固连接，底板与壳体的底部可拆卸地紧固连接；底板包括冷源和热源，所述冷源和热源的表面处于同一水平面；所述冷源和所述热源为面积相等的矩形，且两者的水平距离等于其宽度的8倍。所述冷源可控地设置为第一温度，所述热源可控地设置为第二温度，第一温度、第二温度和流体温度彼此不同，使得流体在空腔内形成水平对流；冷源传感器、热源传感器和流体温度传感器；所述冷源传感器监控第一温度，所述热源传感器监控第二温度，所述流体温度传感器监控流体的温度；温度调节器，所述温度调节器接收第一温度和第二温度，并根据第一温度第二温度和流体的温度；调节第一温度和第二温度。
6.可选的，所述壳体为长方体。
7.可选的，所述壳体的长度为200厘米。
8.可选的，所述壳体的宽度为20厘米。
9.可选的，所述壳体的高度为20厘米。
10.可选的，所述冷源为厚度为3厘米的正方形。
11.可选的，所述热源为厚度为3厘米的正方形。
12.与现有技术相比，本实用新型的技术方案具有以下优点：本实用新型实施例提供的实验装置能够模拟城市热岛。
附图说明
13.图1为本实用新型一实施例的实验室内使用的模拟城市热岛空气流动及温度测量实验装置；
14.图2为本实用新型一实施例的冷板示意图；
15.图3为本实用新型一实施例的热板示意图。
具体实施方式
16.城市热岛效应产生的原因是由于热源和冷源处于同一水平面且相距一定的距离，在热源与冷源上方的流体收到温差的驱动而产生定向的流动，进而形成稳定的温度分布。其中，流场运动的驱动力被表征为瑞利数ra＝αgδh3/(kv)，流体的物性参数可被表征为普朗特数。这里，g是重力加速度，α是流体的热扩散系数，δ是热源与冷源之间的温差，h是热源与冷源之间的距离，κ是流体的热扩散系数，ν是流体的运动粘性系数。现有技术大多采用计算机模拟技术。实验测量技术相对较少，并且ra数大多小于1012，对于温度控制与监测精度也有待提高。
17.针对海洋大尺度环流的实地测量也是目前研究中的一个难题。相关的实地测量技术需要解决一系列涉及到机械、电子、通讯等高端技术问题。
18.同时，因为环流周期长、空间广，测量精度还受到天气、压力等气候条件的制约，设备投入的资金巨大。
19.另一方面，超大城市内的居民活动和城市地貌对气温影响的直接测量证据也很难获得，一般是通过有限的固定测量站和流动测量车来进行测量。数据对于城市气候监控和预警具有实用价值，但是其全面性和精确度对于构建精准的水平对流模型还有一段距离。我们提出的城市热岛空气流动及温度测量实验装置将在精确控制的实验条件下对上述两个系统中的流场结构进行模拟。通过对水平对流系统精确测量、分析流场中的大尺度环流结构、热流量传输、流动模式、温度场的分布及控制，完善系统预测模型。
20.现有的实验技术多使用空气或者水作为工作流体，其实验参数空间有限，且已被广泛的研究过。我们的实验装置中将使用几种不同型号的电子氟化液作为工作流体，其优点是参数空间大，更接近真实城市热岛效应的实际温度分布情况。
21.城市热岛效应产生的原因是由于热源和冷源处于同一水平面且相距一定的距离，在热源与冷源上方的流体收到温差的驱动而产生定向的流动，进而形成稳定的温度分布。其中，流场运动的驱动力被表征为瑞利数ra＝αgδl3/(κυ)。流体的物性参数可被表征为普朗特数pr＝ν/κ。这里，g是重力加速度，α是流体的热扩散系数，δ是热源与冷源之间的温差，l是热源与冷源之间的距离，κ是流体的热扩散系数，ν是流体的运动粘性系数。城市热岛效应内的流体速度场u(x,y,z,t)和温度场θ(x,y,z,t)由以下三个方程唯一的确定：
22.1.连续性方程
[0023][0024]
2.动量方程
[0025][0026]
3.温度方程
[0027][0028]
基于该原理，本实用新型提出一种实验室内使用的模拟城市热岛空气流动及温度
测量实验装置。在一些实施例中，该装置的示意图如图1所示。整个装置为长方体，比例为长(l)x宽(w)x高(h)＝200cm x 20cm x 20cm。冷板(即冷源)温度(tc)和热板(即热源)温度(th)可以被独立的设定、调控和记录，其控制精度在0.01k。流体的温度(to)是随冷、热板温度的变化而发生变化，在实验过程中可以被实时精确地记录。冷板上方的温度变化范围(如图1左上角所示)是从tc不断升高到to，热板上方的温度变化范围(如图1右下角所示)是先从th不断降低到最低温度，再升高到to。整个底板附近的流场速度随高度z的变化规律u(z)保持相同。u(z)的示意图见图1左上角及右下角。λ(x)代表水平位置x处的温度边界层厚度。
[0029]
该装置的冷板与热板均为黄铜材质，表面电镀了一层铬用于防止生锈和氧化。它们大小相等，水平截面是边长为w的正方形，厚度为3cm，被分别放置在该装置底部的左右两边，且两者的水平距离等于其宽度的8倍。这样设置的原因有二：首先，真实的城市热岛效应中，热源一般处于城市区域，冷源一般处于离市区一段距离的郊区，为了能够更真实的模拟城市热岛效应，将热板与冷板分开可以更接近研究对象的真实情况；基于上述分析，考虑到装置的尺寸，合理将冷板和热板的水平距离设置为等于其宽度的8倍能更真实模拟城市热岛效应。
[0030]
其次，将冷、热板分开一段距离是为了避免温差通过两板之间连接部分进行热传导，从而在实验过程中产生水平方向温度梯度。
[0031]
装置底部其他部分以及侧板和顶板均为3cm厚度的亚克力板构成。在顶部的亚克力板宽度为0.5w处，我们用钻头开了四个2mm的穿孔，其水平位置为x＝0.01l,0.05l,0.95l,0.99l(图1四条白垂直虚线所示)。每个穿孔可插入一根精度为0.005k的温度探头。探头的尾部固定在一个马达驱动的定位器上，可以用电脑程序控制上下移动，测量温度的垂直分布。
[0032]
在一些实施例中，实验装置为长方体，长(l)：宽(w)：高(h)＝10:1:1。左边底部为冷板，其温度被设为tc。右边底部为热板，其温度被设为th。流体的温度是to。左上角显示冷板上方速度u(z)和温度(黑实曲线)随高度的变化，右下角显示热板上方速度u(z)和温度(黑实曲线)随高度的变化。中间黑面处于宽度在0.5w处的截面。顶板在该截面四个不同水平位置处(x＝0.01l,0.05l,0.95l,0.99l)各安置了一个温度探头。每个温度探头均连接一个马达控制的定位器，可以垂直移动探头，测量不同高度的温度。
[0033]
冷板上方的温度变化范围(如图1所示)是从第一温度tc不断升高到第三温度to，热板上方的温度变化范围(如图1右下角所示)是先从第二th不断降低到最低温度，再升高到第三温度to。整个底板附近的流场速度随高度z的变化规律u(z)保持相同。u(z)的示意图见图1左上角及右下角。λ(x)代表水平位置x处的温度边界层厚度。
[0034]
为了能将冷板金属表面的第一温度控制地稳定均匀，我们特别设计了一套双路冷却循环系统。如图2所示，冷板背面被加工成栅栏式水槽，出入口接驳温控水冷器。通过主机的控制程序，可以远程设置温度和冷却速率，并同时采集温度数据。
[0035]
热板为整个装置提供热源。其发热方法是通过电加热器。热板的背后的设计如图3所示。整个热板的后面被加工成厚度1.5cm的空腔，将加热片放置其内，预留额外的空间使得导线可以进出。整个热板平放在装置底部时不会增加其厚度。加热片与可控直流电源连接。通过自主研发的软件可以对该直流电源进行远程控制，调控输出电压和电流，使加热片产生热量。当达到预设的第二温度时即停止加热。通过调试，第二温度的受控精度可以达
0.01k。
[0036]
流体材质是不同型号的电子氟化液(fc40、fc72、fc770等)。使用它们的目的是为了改变参数范围。除此之外，我们也可使用空气和水作为工作流体，目的是为了和其他现有技术参数做比较。综合起来，该装置的设计参数范围是:1《pr《200，108《ra《1014。
[0037]
虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

技术特征：

1.一种实验室模拟城市热岛实验装置，用于测量可控城市热岛效应中的温度分布，其特征在于，包括：壳体，壳体限定有空腔；充满所述空腔的流体；顶板和底板，顶板与壳体的顶部可拆卸地紧固连接，底板与壳体的底部可拆卸地紧固连接；底板包括冷源和热源，所述冷源和热源的表面处于同一水平面；所述冷源和所述热源为面积相等的矩形，且两者的水平距离等于其宽度的8倍；所述冷源可控地设置为第一温度，所述热源可控地设置为第二温度，第一温度、第二温度和流体温度彼此不同，使得流体在空腔内形成水平对流；冷源传感器、热源传感器和流体温度传感器；所述冷源传感器监控第一温度，所述热源传感器监控第二温度，所述流体温度传感器监控流体的温度；温度调节器，所述温度调节器接收第一温度和第二温度，并根据第一温度第二温度和流体的温度；调节第一温度和第二温度。2.如权利要求1所述的实验室模拟城市热岛实验装置，其特征在于，所述壳体为长方体。3.如权利要求2所述的实验室模拟城市热岛实验装置，其特征在于，所述壳体的长度为200厘米。4.如权利要求2所述的实验室模拟城市热岛实验装置，其特征在于，所述壳体的宽度为20厘米。5.如权利要求2所述的实验室模拟城市热岛实验装置，其特征在于，所述壳体的高度为20厘米。6.如权利要求1所述的实验室模拟城市热岛实验装置，其特征在于，所述冷源为厚度为3厘米的正方形。7.如权利要求1所述的实验室模拟城市热岛实验装置，其特征在于，所述热源为厚度为3厘米的正方形。

技术总结

一种实验室模拟城市热岛实验装置，用于测量可控城市热岛效应中的温度分布，包括：壳体，壳体限定有空腔；充满所述空腔的流体；顶板和底板，顶板与壳体的顶部可拆卸地紧固连接，底板与壳体的底部可拆卸地紧固连接；底板包括冷源和热源，所述冷源和热源的表面处于同一水平面；所述冷源和所述热源为面积相等的矩形，且两者的水平距离等于其宽度的8倍。冷源传感器、热源传感器和流体温度传感器；温度调节器，所述温度调节器接收第一温度和第二温度，并根据第一温度第二温度和流体的温度；调节第一温度和第二温度。本实用新型的实验装置能够模拟城市热岛。市热岛。市热岛。