CN101398343A - 风沙环境与工程风洞模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种专门用于模拟风沙运动和防沙治沙工程的大型开口直流吹气式风沙环境与工程风洞模拟装置，公开了一种风沙环境与工程风洞模拟装置，包括洞体，所述洞体包括依次连接在一起的进气段(3)、过渡段(4)、装有阻尼器(5)的阻尼段、第一扩散段(6)、稳定段(7)、收缩段(8)、速度车(9)、试验段(10)、第二扩散段(11)，所述动力系统与所述进气段(3)连接，用于通过直流电动机为所述风洞提供动力。本发明可以对防风治沙进行真实模拟，从而推动防风治沙技术的进步，并且能够进行防止污染物扩散、建筑物空气动力学特性等试验。

Description

风沙环境与工程风洞模拟装置

技术领域

本发明涉及一种专门用于模拟风沙运动和防沙治沙工程的大型开口直流吹气式风沙环境与工程风洞模拟装置。

背景技术

我国是世界上遭受风沙危害最严重的国家之一，因风沙问题每年造成的直接损失高达540亿元。风沙灾害已严重危害人民生活、制约社会经济协调发展，成为中华民族的心腹之患。据不完全统计，全国约有1000万亩耕地、15.8亿亩草地、150万亩林地与灌草地因风沙灾害而退化，47个大中城市、172个县城、2.4万多个村庄、1400公里铁路、3万公里公路和5万多公里灌渠常年受灾，直接受灾害性风沙天气危害的人口约4亿、范围占国土总面积的50％以上。为了有效地治理风沙灾害问题，首先必须对沙漠化过程、风沙运动动力学、风沙(尘)灾害形成、土壤风蚀与控制、风沙环境工程理论与技术等方面的基础理论、工程原理进行深入地研究。鉴于风沙运动受地貌、下垫面状况、大气环流等众多因素的影响，直接利用野外数据难以获得满意的研究结果。而在风洞实验中对影响风沙运动相关要素进行调节，获得大量的各种状况下的实验数据，进而揭示风沙运动的基础理论问题。在此基础上，结合对各种地表和野外环境下长期的监测数据，建立风沙运动理论模型，揭示风沙运动规律和服务于风沙防治工程实践。因此，现代风洞模拟技术是解决风沙灾害问题最有效的技术途径。

目前，国内外有一些专门用于风沙研究的风洞实验。中国科学院原兰州沙漠研究所有两座，实验段横截面(宽×高)分别为1.0m×0.6m和1.2m×1.2m，实际运行时的轴心风速均不超过30m/s，主要用于风沙运动的基础理论研究和土壤风蚀实验研究。内蒙古林学院的野外风洞，实验段横截面约1m²，设计最大轴心风速约30m/s。美国的BigSpring土壤风蚀研究站的土壤风蚀简易风洞，影响力较小。土库曼斯坦沙漠研究所的风沙环境风洞，在苏联时代，为风沙环境基础理论研究做出了巨大贡献，但目前已衰落。印度拉贾斯坦的一座环境风洞，横截面不足1.0m²，曾经被用于风沙环境方面的基础理论研究，其影响力很小。综观国内外专门用于风沙环境研究实验室的功能和主要研究方向，目前还没有专门从事风沙环境工程技术的实验室，特别是将风沙环境工程风洞和野外风沙综合观测试验场结合起来进行有效的技术开发和集成。同时，已有的专门用于风沙环境研究的中小型风洞，边界层厚度最大不超过18cm，已不能满足目前风沙环境研究，尤其是大型风沙工程的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种专门用于模拟风沙运动和防沙治沙工程的大型开口直流吹气式风沙环境与工程风洞模拟装置，并兼具污染物扩散、建筑物空气动力学特性等功能。

本发明的技术方案以如下方式实现：一种风沙环境与工程风洞模拟装置，包括洞体、动力系统、测控系统，其特征在于，所述洞体包括依次连接在一起的进气段、过渡段、装有阻尼器的阻尼段、第一扩散段、稳定段、收缩段、速度车、试验段、第二扩散段，所述动力系统与所述进气段连接，用于通过直流电动机为所述风洞提供动力。

其中，风沙环境与工程风洞模拟装置还包括测控系统，所述测控系统包括控制电机、阻尼器、三维移测仪、试验段的顶板、试验段的转盘、第二扩散段的调节板，所述控制电机的转速控制通过独立自动控制子系统、综合自动控制系统或手动面板控制进行控制；所述阻尼器、三维移测仪、试验段的顶板、试验段的转盘、第二扩散段的调节板由独立自动控制子系统或综合自动控制系统进行控制。

其中，调整所述阻尼器菱形叶片的开合角度，用于增强低速气流的平稳度，降低试验段气流速度；所述三维移测仪用于控制系统的三维空间定位精度；所述试验段的顶板用于控制可调节顶板升降高度；所述试验段的转盘用于控制转盘±360°转动，所述第二扩散段的调节板用于通过控制第二扩散段底板的上翘角度来实现实验模型进出风洞试验段。

其中，所述阻尼器包括长轴、单向推力球轴承、轴承座、单列向心球轴承、大齿轮、连轴器、五相混合式步进电机、涡轮减速器、阻尼器壳、菱形叶片和短轴

其中，所述进气段用于通过风扇叶片的高速旋转加速气流，包括风扇段洞体、整流罩、风扇、止旋片，风扇轮毂位于整流罩最大截面处，最大截面之前处外形为椭圆，最大截面之后外形曲线为抛物线，风扇的叶片，每片尖角倒圆，轮毂前后用隔板隔开。

其中，所述过渡段用于减少通过风扇段洞体气流的扰动；横截面的端面法兰为焊接的槽钢结构；所述收缩段用于增加进入试验段的气流流速，且气流均匀；所述收缩段材料为玻璃钢，两端法兰，设有加强筋。

其中，所述稳定段用于平稳、顺直进入稳定段的气流；所述稳定段设有蜂窝器和滤流网，用于提高气流品质。

其中，所述试验段试验轴心风速连续可调，试验段两侧和顶板各装有由钢化玻璃板制作的观测窗，试验段内壁光滑、密封，组成试验段顶板的各段独立调节，试验段下风向处装有活动底板，并设置有两个转盘。

其中，所述第二扩散段为直流吹气式风洞的排气部分，用于将试验段的气流在第二扩散段排出实验大厅。

其中，风沙环境与工程风洞模拟装置还包括三维移测仪与供沙系统、数字式粒子图像测速系统PIV、电子压力扫描阀、风沙流风场数据采集系统、土壤风蚀天平、风沙土工程力学测试仪。

本发明的有益效果是：本发明能够对风沙运动基础理论研究结果进行真实、可靠的模拟。在防沙治沙工程应用领域，风沙环境与工程风洞模拟装置可以对绝大多数治沙工程设施进行1:1模型模拟，对部分大型治沙工程设施进行1:5模型模拟，将改变目前没有能力进行治沙工程设施精确模拟的现状。由此可见，本发明将促进风沙运动基础理论和防沙工程技术试验研究跃上一个新台阶，对提高我国在沙漠化过程、风沙运动规律、土壤风蚀、风沙灾害的形成、防沙治沙工程设计等方面的学术地位和应用技术开发具有强大的推动作用。本发明还可在部分污染物扩散和建筑物空气动力学特性等方向展开综合试验研究。

附图说明

图1是本发明专利的风沙环境与工程风洞模拟装置洞体示意图；

图2是本发明专利的阻尼器正视图；

图3是本发明专利的阻尼器正视图A处放大图；

图4是本发明专利的阻尼器侧面图；

图5是本发明专利的速度车总成图；

图6是本发明专利的速度车正视图；

图7是本发明专利的速度车侧面图；

图8是本发明专利的速度车正视图A处放大图；

图9是本发明专利的速度车侧面图B处放大图；

图10是本发明专利的试验段转盘示意图；

图中：1.电机；2.电机轴；3.进气段；4.过渡段；5.阻尼器；6.第一扩散段；7.稳定段；8.收缩段；9.速度车；10.试验段；11.第二扩散段；12.三维移测仪与供沙系统步进电机；13.支撑腿焊接组件；14.钢化玻璃；15.试验段转盘步进电机；16.试验段可调顶板步进电机；17.阻尼器由长轴；18.8210型单向推力球轴承；19.盖；20.轴承座；21.单列向心球轴承110；22.大齿轮；23.连轴器；24.M12 x 40型六角头螺栓；25.弹簧垫圈；26.平垫；27.支座；28.支板；29.五相混合式步进电机；30.平垫；31.弹簧垫圈；32.M10型六角螺母；33.M10 x 45型六角头螺栓；34.键；35.小齿轮；36.键；37.齿轮；38.涡轮减速器；39.平垫；40.弹簧垫圈；41.M14型六角螺母；42.M14 x 70型六角头螺栓；43.键；44.M8 x 20型内六角螺栓；45.M14 x 50型六角头螺栓；46.阻尼器壳；47.叶片；48.短轴；49.速度车；50.地面导轨；51.固定架I；52.运载动力装置；53.搬运车；54.空车；55.滑动栅格；56.导块；57.支承条；58.固定栅格；59.固定架II；60.支块；61.小轴；62.轴；63.盖；64.垫块；65.轴；66.轮；67.支架；68.垫；69.固定块；70.丝杆；71.丝母；72.座；73.胶垫；74.胶垫；75.手轮；76.308型单列向心球轴承；77.弹簧垫圈；78.M24型六角螺母；79.M12型六角螺母；80.M14型六角螺母；81.弹簧垫圈；82.M14 x 50型六角头螺栓；83.M5 x 15型开槽沉头螺栓；84.M6 x 10型六角头螺栓；85.M6 x 20型开槽沉头螺栓；86.M6 x 15型六角头螺栓。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一种风沙环境与工程风洞模拟装置，由风沙环境与工程风洞模拟装置洞体、动力系统、测控系统以及相关设备和关键测试仪器组成。

1.风沙环境与工程风洞模拟装置洞体

如图1所示，风沙环境与工程风洞模拟装置洞体总长度为71.1m，其中风洞洞体长度66.6m，电机传动轴长度4.5m。所述风沙环境与工程风洞模拟装置洞体由电机1、电机轴2、进气段3、过渡段4、阻尼器5、第一扩散段6、稳定段7、收缩段8、速度车9、试验段10、第二扩散段11、三维移测仪与供沙系统步进电机12、支撑腿焊接组件13、钢化玻璃14、试验段转盘步进电机15和试验段可调顶板步进电机16构成。

进气段3主要利用风扇叶片的高速旋转加速气流，其几何尺寸：长6.25m，风扇段洞体横截面Φ3m，轮毂比0.45。进气段3包括风扇段洞体、整流罩、风扇和止旋片，其中风扇段洞体采用10mm的钢板加工，其他3个部分使用玻璃钢材料制成。进气段洞体中心轴线与水平线不同轴度<0.02°、径向尺寸精度为±1/1000、纵向尺度精度为2/1000。整流罩轴线与气流方向夹角<0.02°，风扇轮毂位于最大截面处，最大截面之前处外形为椭圆，最大截面之后外形曲线为抛物线。风扇最大输入功率400kw，最大转速600转/分；10片风扇叶片，每片尖角倒圆，叶片转动时叶尖与洞壁间距3～5mm，叶片展长误差±1～0mm，弦长误差±0.8mm，厚度误差±0.2mm；轮毂前后用隔板隔开，轮毂与前后整流罩间隙≤10mm。止旋片共有9片，其平整光滑、均匀分布。

过渡段4、阻尼器5、第一扩散段、稳定段、收缩段、速度车是决定试验段气流品质的关键部分。这些部件的洞体外壳采用10mm厚的槽型钢做加强肋和支架，并附加加强筋。

过渡段4长为7.2m，横截面由3m×3m过渡到4m×4m，其中3m×3m端面法兰为焊接的槽钢结构，其他材料为10mm钢板。过渡段的前端与风扇段的后端相连接，连接部位属软连接，以便减小进气段振动对过渡段的影响。

如图2、图3和图4所示，阻尼器5由长轴17、8210型单向推力球轴承18、盖19、轴承座20、110型单列向心球轴承21、大齿轮22、连轴器23、M12 x 40型六角头螺栓24、弹簧垫圈25、平垫26、支座27、支板28、五相混合式步进电机29、平垫30、弹簧垫圈31、M10型六角螺母32、M10 x 45六角头螺栓33、键34、小齿轮35、键36、齿轮37、涡轮减速器38、平垫39、弹簧垫圈40、M14型六角螺母41、M14 x 70型六角头螺栓42、键43、M8 x 20型内六角螺栓44、M14 x 50型六角头螺栓45、阻尼器壳46、叶片47、短轴48构成。

阻尼器包括横截面外形为菱形的叶片(菱形的两个对角线长度比值为1:2.566)、单向推力球轴承、轴承座、单列向心球轴承、大齿轮、连轴器、五相混合式步进电机、涡轮减速器、阻尼器壳。阻尼器5外框横截面4m×4m，阻尼器壳体加工的垂直度、平等度均为2/1000。阻尼器5的叶片47为20片菱形叶片，每4片一组，每组由一台步进电机实行自动控制。相邻两叶片关闭时中间间隙为5mm，叶片47受均布载荷6kg。阻尼器通过步进电机调整阻尼器菱形叶片的开合角度，增强低速气流的平稳度，降低试验段气流速度，主要在风速<5m/s时使用。

第一扩散段长度9.4m，横截面由4m×4m过渡到6m×4m。端面的垂直度和平等度均为1/1000，进出口截面中心与水平基准中心轴线允差分别为5mm和1mm；二维扩散半角相等，允差0.01°。第一扩散段的前端与过渡段后端相连接，后端与稳定段前端相连接。第一扩散段作用是将来自于过渡段的气流导入稳定段，同时气流通过第一扩散段，由于横截面扩大，流速减少，稳定气流。

稳定段7内设有蜂窝器和滤流网，滤流网为24目铜网，以提高气流品质。稳定段7长6m，横截面6m×4m，壳体纵向长度与横向截面矩形各边尺寸允差±1/500。蜂窝器长400mm，为80mm×80mm方格，按需要加隔框；隔框为2m×2m，6块蜂窝块形成前后缘整流面的轴线与水平基准中心线不同轴度<0.05°。阻尼网为磷青铜丝，2层24目/寸，网面与水平基准中心轴线不垂直度<1°。进入稳定段的气流存在许多旋涡以及气流不均匀，而稳定段内装有蜂窝器和滤流网的作用是粉碎气流中的大旋涡，对不均匀气流进行调整，使气流在进入收缩段之前变得平稳、顺直。同时稳定段的截面尺寸是风洞洞体中最大部分，气流进入稳定段后流速会降低。

收缩段8长度为6m，横截面由6m×4m过渡到3m×2m，其材料为玻璃钢，两端法兰，每隔1m有1条加强筋。其纵向尺寸允差1/1000，型面坐标允差进口部分为±1/500，出口部分(小)1/1000，中间部分按比例取值；进出口截面中心与水平基准中心轴线允差分别为5mm和0，进出口截面与水平基准中心轴线的垂面的倾斜误差为1/500。收缩段前装有的方格状整流栅，用来消除气流中的大旋涡，这样可使进入试验段的气流较为均匀。同时由于收缩段横截面缩小，使得气流通过收缩段后，流速增大。

如图5、图6、图7、图8和图9所示，速度车总成由速度车49、地面导轨50、固定架I51、运载动力装置52、搬运车53。

而速度车由空车54、滑动栅格55、导块56、支承条57、固定栅格58、固定架II 59、支块60、小轴61、轴62、盖63、垫块64、轴65、轮66、支架67、垫68、固定块69、丝杆70、丝母71、座72、胶垫73、胶垫74、手轮75、308型单列向心球轴承76、弹簧垫圈77、M24型六角螺母78、M12型六角螺母79、M14型六角螺母80、弹簧垫圈81、M14 x 50型六角头螺栓82、M5 x 15型开槽沉头螺栓83、M6 x 10型六角头螺栓84、M6 x 20型开槽沉头螺栓85、M6 x 15型六角头螺栓86构成。

速度车49主要在低速下使用，主要用于调节试验段边界层特性及其流场梯度，可以使试验段的边界层增加到1m左右。速度车49长1.2m，横截面为3m×2m，沿高度方向分成20层，每层高100mm，每层格子板孔按相关设计要求分布。同时速度车49前后移动的格子板正、反方向移动行程0～20mm，全部格子板承受最大风压1080N。速度车位于收缩段与试验段之间，通过调整速度车的格子板间隙来调节试验段边界层特性及其流场梯度。

试验段10是进行风洞实验研究的载体，所有实验研究任务都将在试验段10完成。试验段10长度24m，正常试验截面的尺寸为：宽×高＝3m×2m。正常试验轴心风速2～50m/s连续可调，在增加阻尼器5的条件下，风速可达到0.5m/s；试验段风速脉动<1％，截面风速脉动<1％，湍流度<0.8％，如有特殊需要，可通过阻尼器5达到增强紊流度；承受轴向力+642N，出口处截面内外静压差88.5Pa。试验段10两侧各有15块由12mm厚钢化玻璃板制作的摄影观测窗，顶板也有一些由钢化玻璃板制作的观测窗，底版满足摄影要求照度>500勒克斯，试验段10内壁光滑、密封，观测窗安装部分阶差为0.5mm。试验段10的顶板和底板用5mm厚钢板制作，顶板由16段组成，各段可独立调节，在基准型面上采用步进电机可自动调控±200mm；底板由12块贮铝件组成，每块承载0.5吨。试验段10下风向10.5m长度范围内为活动底板，还设有两个直径为2.78m转盘，通过转盘控制系统可同时或单独控制两个转盘转动角度和方向，可以在±360°范围内转动，精度为±1°。转盘的主要作用是便于布置模型、测量试验模型在各方向来流时的风速和压力分布，以及放置土壤槽、多分力天平等设备。

第二扩散段11为直流吹气式风洞的排气部分，试验段10的气流在第二扩散段11排出实验大厅，横截面由3m×2m变为4m×4m。第二扩散段横截面增大，使得进入第二扩散段的气流降低后再排出实验大厅。同时通过第二扩散段调节板控制系统调节第二扩散段底板的上翘角度以便实验模型进出风洞试验段。

2.动力系统

所述动力系统采用变频调速系统，闭环控制。利用可控硅技术，将交流电转变为直流电，再由直流电动机为风洞提供动力。Z4-355/42型直流电机的额定功率400kw、额定转速600转/分钟，KMA-1100/440型可控硅变频器，其控制可实行手动操作，也可通过测控中心实行自动控制。

3.测控系统

保障试验平台正常运行，各测控子系统既可相对独立运行，又可综合运行，既可通过测控中心实行自动控制，又可实行手动操作；测控系统有正常运行程序，也具有应急备用系统。

所述测控系统包括电机1、阻尼器5、三维移测仪与供沙系统、试验段10的顶板、试验段10的转盘和第二扩散段11的调节板等子系统，这些控制系统都采用具有远程计算机全程自动控制的软硬件平台。

电机1的转速控制可以通过三种途径，即独立自动控制子系统、综合自动控制系统和手动面板控制系统，其中独立自动控制子系统和综合自动控制系统可以在0～100％转/分钟范围内自由设定电机1的转速，设定风速由直流调速装置KMA590P/KM2591P直接完成。主控室调速方式是由直流调速装置KMA590P/KM2591P的输出端子A1-A9输出0-10V DC给主控室的工控机，工控机按设定程序由A4通过控制直流调速装置控制电机转速。

阻尼器5、三维移测仪与供沙系统进步机12的三维移测仪、试验段10的顶板、试验段10的转盘和第二扩散段11的调节板等都设有独立自动控制子系统和综合自动控制系统，可使用这两个系统中的任意一个进行控制。这些系统都是通过控制16台步进电机来完成其相应功能。其中阻尼器5的20片菱形叶片，共分5组，阻尼器5的控制系统可通过步进电机对菱形叶片在0～45°范围内进行任意调整开合角度。三维移测仪与供沙系统主要通过步进电机控制确定三维空间的精确定位，其精度：X轴方向<3‰，Y和Z轴方向<1‰。试验段(10)的顶板控制系统通过控制16台步进电机可使16块顶板在2m高处进行±200mm范围的高度自由调节(精度<1mm)，每台步进电机配一驱动器，驱动器的作用是将控制脉动进行功率放大，并完成各相之间的环形分配。由于步进电机台数较多，将整个控制系统分成两个子系统，即子系统1和子系统2，每个子系统中配有一工业控制计算机，三块PCL-839三轴步进电机控制卡，其中第一、二块PCL-839分别接三台步进电机驱动程序SH51008，控制三台电机，第三块PCL-839连接两台步进电机驱动器，控制两台步进电机。这样每一系统控制8台电机，两个系统控制16台电机。电机控制选用脉冲—方向模式，即用脉冲控制电机转速及角位移，用方向信号控制电机正反转。试验段10的转盘控制系统通过控制2台步进电机可同时或单独两个转盘的转动角度和方向(可以在±360°范围内转动，精度为±1°)，每台步进电机配一驱动器SH51008，驱动器的作用是将控制脉冲进行功率放大，并完成各相之间的环形分配，系统中配有一工业控制计算机，一块PCL-839三轴步进电机控制卡连接两台步进电机驱动程序，控制两台步进电机。电机控制选用脉冲—方向模式，即用脉冲控制电机转速及角位移，用方向信号控制电机正反转。第二扩散段调节板控制系统通过1个步进电机调节第二扩散段11底板的上翘角度以便实验模型进出风洞试验段。

4.配备的相关设备和关键测试仪器

根据风沙环境与工程实验具体需要，配备了三维移测仪与供沙系统、数字式粒子图像测速系统即PIV、128通道的电子压力扫描阀、2套15风速通道+温湿压3个通道的风沙流风场数据采集系统、土壤风蚀天平、1套风沙土工程力学测试仪等。其中数字式粒子图像测速系统、电子压力扫描阀、土壤风蚀天平、风沙土工程力学测试仪均为现有产品，电子压力扫描阀主要测量试验段模型各点的压力分布；数字式粒子图像测速系统主要测量试验段气流的流场分布；KCC150型土壤风蚀天平主要测量土壤风蚀量；风沙土工程力学测试仪主要包括W67-1B三联中压固结仪、YyW-2电动无侧限压力仪、DSJ-2四联式电动直剪仪、TSZ30-2.0台式三轴仪、DTM-2电动脱模机、TS-1土壤水份速测仪、GYS-2光电液塑限仪、JDM-1电动相对密度仪、FB-2分析筛、FB-3砂料筛、YS-4摇摆式筛析机、TWJ-1土工数据采集处理系统，主要测量沙粒的土力学性质、对沙粒粒径进行分级。三维移测仪与供沙系统主要进行三维空间定位、方便模型进出试验段。风沙流风场数据采集系统的感应器涉及温、湿、压各1个以及15个风速感应器，主要测量试验段流场的梯度分布，风速电测分析系统基于WINDOWS操作平台，采用89C51/89C52单片机、微差压传感器、压力传感器、V/I变送器、高速A/D转换、可编程放大器以及RS-485通讯接口部件及数据采集系统等完成对风速、空气相对温度、空气相对湿度等多路模拟量的全天候自动监测，并且能够通过上位机完成对采集数据的实时监测、以Excel文件格式存储、多条件数据库查询、图形绘制以及参数设置等诸多功能。数据采集周期可根据需要设定，最小周期可设为3秒。

本发明专利针对不同的研究对象可采取不同的措施来实现，具体如下：

实施例1

对于风沙物理基础研究，可以涉及沙粒或沙尘输移规律、风沙地貌形成机理等方面，这里就沙粒或沙尘输移规律可以采取以下措施：

1.在试验段10入口下风向10m处，铺设8m长、5cm左右厚的沙层；

2.在风洞试验段10铺沙沙层处固定风沙流风场数据采集系统，测量挟沙风不同高度的平均风速；

3.在风洞试验段10铺设沙层尾部固定集沙系统，测量挟沙风的输沙量；

4.在风洞试验段10的合适位置设置数字式粒子图像测速系统即PIV或者是高速频闪摄影、电子压力扫描阀所必须的配套设备，获取运动沙粒或沙尘输移参数；

5.启动风洞电机、风沙流风场数据采集系统、PIV、电子压力扫描阀；

6.利用土壤风蚀天平称量积沙系统获得的输沙量，结合观测时间，得到挟沙风的输沙通量；

7.分析风沙流风场数据采集系统获得的挟沙风不同高度的平均风速、运动沙粒或沙尘输移参数、挟沙风的输沙通量，参数化风沙运动中沙粒或沙尘运动的相关物理量，明确跃移边界层厚度及其与悬移层底部之间的过渡边界层，揭示地表特征和近地面气流湍流边界层结构与湍流边界层结构与沙粒运动的关系等，建立风沙运动的理论模型。

实施例2

对于土壤风蚀，可以采取以下措施：

1.按照风洞试验段的风蚀实验槽的尺寸：1.5m长×0.5宽，准备土壤风蚀模型；

2.用将土壤风蚀模型放置在风洞试验段的风蚀实验槽里；

3.在风洞试验段铺沙沙层处固定风沙流风场数据采集系统，测量挟沙风不同高度的平均风速；

4.利用土壤风蚀天平称量土壤风蚀模型，然后启动风洞电机、风沙流风场数据采集系统；

5.在一定时间后，停止风洞电机，称量经过吹蚀后的土壤风蚀模型；

6.分析风沙流风场数据采集系统获得的挟沙风不同高度的平均风速数据，揭示风速、土壤风蚀量以及土壤模型参数之间的关系，建立土壤风蚀模型。

实施例3

对于风沙工程研究，可以采取以下措施：

1.根据实际情况，按照一定的比例，制作风沙工程相似模型；

2.将风沙工程相似模型通过三维移测仪与供沙系统搬运至风洞试验段上的转盘；

3.在风沙工程相似模型上风向边缘固定风沙流风场数据采集系统，测量试验段轴心风速廓线；

4.在风洞试验段的合适位置设置数字式粒子图像测速系统即PIV、电子压力扫描阀所必须的配套设备，测量风沙工程相似模型各部位的流场；

5.启动风洞电机、风沙流风场数据采集系统、PIV、电子压力扫描阀；

6.按照一定的旋转规则，利用PIV测量每次旋转后风沙工程相似工程模型的各个部分的流场；

7.分析试验段轴心风速廓线、PIV、电子压力扫描阀测量数据，探索研究风沙工程最优设计模型，为防沙治沙工程提供科学依据。

实施例4

对于污染物扩散，可以采取以下措施：

1.调整阻尼器5叶片，增强实验段气流紊流度，降低试验段气流速度；

2.根据实验要求，在风洞试验段确定污染源施放位置，并将污染源排放装置固定在相应位置；

3.在风洞试验段下风向6m处固定风沙流风场数据采集系统，测量试验段轴心风速廓线；

4.在风洞试验段的合适位置设置数字式粒子图像测速系统即PIV、电子压力扫描阀所必须的配套设备，测量风沙工程相似模型各部位的相关参数；

5.启动风洞电机、风沙流风场数据采集系统、PIV、电子压力扫描阀；

6.施放污染源；

7.分析试验段轴心风速廓线、PIV、电子压力扫描阀测量数据，研究污染物的扩散机理；

实施例5

对于建筑物空气动力学特性，可以采取以下措施：

1.根据建筑物的实际情况，设计建筑物的相似模型；

2.将建筑物的相似模型通过三维移测仪与供沙系统搬运至风洞试验段上的转盘；

3.在建筑物的相似模型上风向边缘固定风沙流风场数据采集系统，测量试验段轴心风速廓线；

4.在风洞试验段的合适位置设置数字式粒子图像测速系统即PIV、电子压力扫描阀所必须的配套设备，测量建筑物的相似模型各部位的相关参数；

5.启动风洞电机、风沙流风场数据采集系统、PIV、电子压力扫描阀；

6.按照一定的旋转规则，利用PIV测量、电子压力扫描阀测量每次旋转后建筑物的相似模型的各个部分的相关参数；

7.分析试验段轴心风速廓线、PIV、电子压力扫描阀测量数据，研究建筑物空气动力学特性，为建筑物设计提供科学依据。

虽然本发明是具体结合优选实施例示出和说明的，但熟悉该技术领域的人员可以理解，其中无论在形式上还是在细节上都可以作出各种改变，并应用到相类似领域，这并不背离本发明的精神实质和专利保护范围。

Claims (10)

1.一种风沙环境与工程风洞模拟装置，包括洞体、动力系统、测控系统，其特征在于，所述洞体包括依次连接在一起的进气段(3)、过渡段(4)、装有阻尼器(5)的阻尼段、第一扩散段(6)、稳定段(7)、收缩段(8)、速度车(9)、试验段(10)、第二扩散段(11)，所述动力系统与所述进气段(3)连接，用于通过直流电动机为所述风洞提供动力。

2.如权利要求1所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，所述测控系统包括控制电机(1)、阻尼器(5)、三维移测仪、试验段(10)的顶板、试验段(10)的转盘、第二扩散段(11)的调节板，所述控制电机(1)的转速控制通过独立自动控制子系统、综合自动控制系统或手动面板控制进行控制；所述阻尼器(5)、三维移测仪、试验段(10)的顶板、试验段(10)的转盘、第二扩散段(11)的调节板由独立自动控制子系统或综合自动控制系统进行控制。

3.如权利要求2所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，调整所述阻尼器(5)菱形叶片的开合角度，用于增强低速气流的平稳度，降低试验段气流速度；所述三维移测仪用于控制系统的三维空间定位精度；所述试验段(10)的顶板用于控制可调节顶板升降高度；所述试验段(10)的转盘用于控制转盘±360°转动，所述第二扩散段(11)的调节板用于通过控制第二扩散段(11)底板的上翘角度来实现实验模型进出风洞试验段(10)。

4.如权利要求1所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，所述阻尼器(5)包括长轴(17)、单向推力球轴承(18)、轴承座(20)、单列向心球轴承(21)、大齿轮(22)、连轴器(23)、五相混合式步进电机(29)、涡轮减速器(38)、阻尼器壳(46)、菱形叶片(47)和短轴(48)。

5.如权利要求1所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，所述进气段(3)用于通过风扇叶片的高速旋转加速气流，包括风扇段洞体、整流罩、风扇、止旋片，风扇轮毂位于整流罩最大截面处，最大截面之前端外形为椭圆，最大截面之后端外形曲线为抛物线，风扇的叶片每片尖角倒圆，轮毂前后用隔板隔开。

6.如权利要求1所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，所述过渡段(4)用于减少通过风扇段洞体气流的扰动；横截面的端面法兰为焊接的槽钢结构；

所述收缩段(8)用于增加进入试验段的气流流速，且气流均匀；所述收缩段(8)材料为玻璃钢，两端法兰，设有加强筋。

7.如权利要求1所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，所述稳定段(7)用于平稳、顺直进入稳定段(7)的气流；所述稳定段(7)设有蜂窝器和滤流网，用于提高气流品质。

8.如权利要求1所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，所述试验段(10)试验轴心风速连续可调，试验段(10)两侧和顶板各装有由钢化玻璃板制作的观测窗，试验段(10)内壁光滑、密封，组成试验段(10)顶板的各段独立调节，试验段下风向处装有活动底板，并设置有两个转盘。

9.如权利要求1所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，所述第二扩散段(11)为直流吹气式风洞的排气部分，用于将试验段(10)的气流在第二扩散段(11)排出实验大厅。

10.如权利要求1所述的风沙环境与工程风洞模拟装置，其特征在于，还包括三维移测仪与供沙系统、数字式粒子图像测速系统PIV、电子压力扫描阀、风沙流风场数据采集系统、土壤风蚀天平、风沙土工程力学测试仪。

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