CN101403649B - 野外多功能便携式试验风洞 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种野外多功能便携式试验风洞。其结构特征是矩形直筒体由可拆装的单元筒体构成，单元筒体选用轻质材料制作，每个单元的长为1m，截面为0.5×0.5m²，底部置有尼龙毯；单元筒体连接各边用木龙骨或金属板固定，边与边间连接处加装密封条，并用螺栓紧固，轴流风机通过导线连接风速调控装置、稳压器和发电机，在实验段的进风口和出风口处安装垂直风口的整流纱网，矩形直筒体放置样本的一单元为样品室。本发明能够模拟自然风，提供稳定可靠的可控风速，可在野外条件下进行风蚀、植物风吹响应、土壤地表蒸散发等实验研究。为充分认识植被在风吹胁迫下的生理生态特征，探明沙漠化过程中植物适应机理等提供科学依据。

Description

野外多功能便携式试验风洞

技术领域

本发明属于一种多功能便携式风洞，能够模拟自然风，提供稳定可靠的可控风速，可在野外条件下进行风蚀、植物风吹响应、土壤地表蒸散发等实验研究。

背景技术

风洞是为模拟野外风沙现象而设计的。应用风洞实验技术，可以不受野外复杂自然条件的限制，对不同土壤实验样本和模型所表现出的风蚀特征进行测定，快速、准确地获取大量数据，从而对风蚀现象进行系统分析和研究；可进行大风对交通、建筑物影响的研究；以及风对农作物影响的研究。目前国内外所使用的各类型野外风洞因研究内容和目的的不同，性能也有所差异，其中一些风洞仍属较大型的固定风洞，使用固定电源。但由于传统实验室风洞所测试样本大多取自室外，样本经长时间的搬运后，其土壤结构、性状等发生了不同程度的改变，且容易失水而导致植物枯死，从而影响测定实验数据的代表性。

影响测定实验数据的失真主要原因是缺乏相应野外试验模拟设备，因此，设计一套新型多功能野外便携式试验风洞，能够在野外提供近似自然风况可调、稳定的风速，以填补研究有关植物生理响应、土壤地表蒸散发等专项风洞设备的空白，是摆在科技工作者面前的一项科研任务。

发明内容

基于上述思路，本发明的目的在于提供一种野外多功能便携式试验风洞。风洞是由几组可拆装单元筒体组成，单元筒体实验段一段为两个不同类型的样品室。通过调节电机转速来控制风速，使实验段底板以上一定高度内风速随高度的分布遵循对数律，实现对野外近地表风况的有效模拟。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种野外便携式试验风洞，是由发电机、稳压器、风速调控装置、轴流风机、矩形直筒体和风速测量装置组成。矩形直筒体由几组可拆装的单元筒体构成，单元筒体长为1m，截面为0.5×0.5m²，底部置有尼龙毯，单元筒体的棱边用木龙骨或金属板固定，连接处加装密封条，并用螺栓紧固；轴流风机通过导线连接风速调控装置(变频器)、稳压器和发电机；实验段的进风口和出风口处安装垂直风口的整流纱网；矩形直筒体的一单元筒体为实验样品室，实验样品室分为I、II不同类型。

上述的样品室I底部有开口，顶部设风速测量槽，皮托管穿过风速测量槽与风速测量装置连接，内部顶端安装人工光源；侧面开有推拉门，另一侧面开有观测窗口。

上述的样品室II底部有开口，侧面开有推拉门，3面为透明钢化玻璃。

整流纱网14垂直安装在实验段的进风口和出风口位置，与平铺在实验段底部起阻尼作用的尼龙毯配合来控制风洞内风速廓线，使之与自然风状况下的风速廓线相近。

本发明的优点及产生的积极效果是：

1、本发明将利用风洞研究风蚀、植物生理响应和土壤地表蒸散发等诸多功能集于一身。将野外采集的样品直接放入单元筒体进行测定和实验研究；对于研究植物风响应及土壤地表蒸散发的实验研究尤能发挥其功能和作用；

2、本发明设计样品室为两个不同的类型，可分别用于研究植物在自然光及人工光源下对风吹的生理响应特征，可针对不同的实验对象和目的进行相互更换；

3、本发明由发电机提供动力，实验段面由风机及其动力系统决定，可最大限度的实现对野外实地任意低矮植物或土壤样品的风吹研究。

4、本发明通过调节电机转速来控制风速，通过整流纱网的调节和实验段底板材料阻尼作用的共同影响，使实验段底板以上一定高度内风速随高度的分布遵循对数律，实现对野外近地表风况的有效模拟。

5、本发明分为相对独立的数节单元筒体，根据试验需要拆装单元筒体，拆装方便，适宜野外环境；

6、本发明实验段选用五合板或合金板等轻质材料制作成，结构牢固，易于搬迁，使用安全；

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2本实用新型进风口、出风口截面示意图。

图3为图1单元筒体样品室I结构示意图。

图4为图1单元筒体样品室II结构示意图。

图5为单元筒体样品室试验示意图。

图6为不同风速下风洞内风速的垂直廓线图

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明再作进一步说明：

一种野外多功能便携式试验风洞，是由发电机1、稳压器2、风速调控装置(变频器)3、轴流风机4、整流网、矩形直筒体5和风速测量装置6组成，矩形直筒体5由3组可拆装的单元筒体7构成，单元筒体7选用五合板或合金板等轻质材料制作，底部置有尼龙毯15，每个单元的长为1m，截面为0.5×0.5m²；单元筒体7的棱边用木龙骨或金属板固定，边与边间连接处加装密封条11，并用螺栓10紧固，以防止漏气。风洞内风速由变频器控制电机转速进行调控；轴流风机4通过导线连接风速调控装置(变频器)3、稳压器2和发电机1(见图1)。

矩形直筒体5一单元筒体为实验样品室8，样品室分为I、II两个不同的类型。样品室I底部留有开口16，顶部设风速测量槽17，侧面开有观测窗口19及推拉门18。皮托管12穿过风速测量槽17与风速测量装置6连接，内部顶端安装人工光源(见图3)。

样品室II除底面外，其余3面由透明钢化玻璃制成，无风速测量槽17及观测窗口19，其余部分结构与样品室I相一致(见图4)。

整流纱网14垂直安装在实验段的进风口和出风口13位置(见图2)，与平铺在实验段底部起阻尼作用的尼龙毯15配合来控制风洞内风速廓线，使之与自然风状况下的风速廓线相近。该风洞装置经测试证明高风速下的紊流度小于5％，可以模拟自然风进行实验。

本发明在模拟自然风进行实验，整流网和风洞底板的阻尼材料对风洞内的风况进行调整调试十分重要。

使用整流网和风洞底板的阻尼材料对风洞内的风况进行调整。调整目标为实验段底部以上20cm范围内风速与高度之间的关系遵循普朗特—冯·卡曼的对数分布律，底部40cm宽度范围内的水平流线波动较小且两边对称。

在野外，由于边界的阻尼作用，在边界层充分发育的情况下，近地面风速与高度之间存在对数分布关系。但在风洞内，由于风机线速度在边缘最大，而在中心最小，加上实验段长度有限，因此，在没有其它调整措施的情况下，边界层厚度小，风速近似均匀分布。

为了调整风洞内垂直方向的风速分布，在实验段前后安装了整流纱网，并通过与平铺在实验段底部的阻尼材料配合来达到增加边界层厚度的目的。通过对各种阻尼材料使用效果的比较，最终选择表面较为粗糙的尼龙毯作为阻尼材料。通过调整整流网和阻尼材料，在实验段末端样本上方20cm高度范围内风速与高度之间服从对数分布(见图6)，风速廓线与自然风状况下的风速廓线相近，风洞地板的粗糙度高度约为0.8mm。由于受两侧边界的影响，在风洞两侧附近风速受阻尼作用而衰减，稳定段在中心40cm范围内，因此，样本宽度也限制在此范围内。通过对实验段不同位置的流场进行测试，样本放置在风机另一端的末尾附近风况最理想。高风速下的紊流度小于5％，可以模拟自然风进行吹蚀实验。由于实验用样本均为实物，故不考虑模型相似性。

在风洞方向与环境风向一致时，风洞内风速受环境影响较大，风速不稳定。垂直于环境风向时，风洞内风速变化小。因此，实验时，风洞放置方向应垂直于环境风向，应尽量在静风或微风天气情况下进行实验。

本发明在使用野外多功能便携式风洞和野外实地观测研究的基础上，以科尔沁沙地为主要研究区域，从土壤结构、植被覆盖和微地表结构特征对土壤风蚀的影响进行了系统研究，探讨了土壤风蚀效应在沙漠化过程中的作用和植物对风吹处理的响应。

1 风蚀效应在沙漠化过程中的作用

(1)不同物理结构风沙土的风蚀特征

将流动风沙土和农田沙壤土放入样品室I，启动发电机1，风洞内风速由变频器3控制电机转速进行调控。从观测窗口19观测和风速测量装置6监测，农田沙壤土的起沙风速为4.1ms^-1，而流动风沙土为4.4ms^-1。两种土样的风蚀率随风速的线性增加均呈幂函数关系增长。在约6.5ms^-1以下风速段，农田沙壤土的风蚀率大于流动风沙土；当风速大于约6.5ms^-1时，流动风沙土的风蚀率开始大于农田沙壤土。对于不同粒径的均匀沙物质，起沙风速最小的沙粒直径为0.100～0.071mm，粒径大于或小于上述范围时，起沙风速随粒径的增加或减小均有所增大。在风蚀率特征方面。粒径为0.10～0.071mm的沙粒其风蚀率最大。当土壤粒径小于或大于此粒径范围时，土壤风蚀率也随之减小。随着风速的增加，在土壤风蚀率增加的绝对量中，以0.100～0.071mm粒径的土样最大，随着粒径的增加或减小，风蚀率增加的绝对量均趋于减小。

(2)挟沙气流对土壤风蚀的影响

当气流中携带有砂粒时，挟沙气流中沙粒对地表的磨蚀和撞击加大了对土壤表面结构的破坏作用，可导致沙壤土风蚀量的增加和起沙风速的降低。监测结果显示，在4.1m～4.4ms^-1低风速段，风沙流因子所导致风蚀量的增加随风速的加大增长较为缓慢；在8m～9ms^-1的风速区间，风蚀量的增加最为显著；而当风速大于10ms^-1时，由风沙流因子所产生的风蚀量随风速的增加出现了缓慢的下降，但总的风蚀率仍高于净风蚀时的风蚀率。这一现象说明，随着风速的增加，更大比例的沙粒具有了较大的动能，其运行高度增加，而贴地表运行的沙粒数量有所减少，因此对地表的影响作用减弱。风沙流对土壤风蚀量的影响作用与沙源区沙粒的粒径组成有关，对于不同的沙粒，可能会有不同的结论。

(3)天然植被对土壤风蚀的影响

如图5所示，在样品室II中放置天然植被。观察到不同的植被覆盖度和高度变化都会对起沙风速和风蚀率产生影响，但盖度是影响其变化的最主要因子。在8ms^-1风速下，植被盖度和高度与起沙风速和风蚀率之间的关系可以分4.1ms^-1，而流动风沙土为4.4ms^-1别被表述为u₀＝3.44+0.786e^0.041c+0.125h^0.931和E＝234.68+301.21e^-0.0019c-21.67h^0.18，其中u₀为起沙风速，E为风蚀率(gm^-2min^-1)，c为植被盖度(％)，h为植被高度(cm)。即便是较低的植被盖度和高度，对风蚀率和起沙风速的影响也很明显。当植被盖度达到60％以上时，其覆盖效果即可对地表产生有效的保护作用；65％以上的植被覆盖度，可以保护地表在高风速下不发生风蚀现象。对于一定的风速，保护地表免于风蚀的临界植被盖度与植株的高度也有关系，高大的植株，其临界植被盖度可以适当降低；而低矮的植株，相应要有较高的临界植被盖度。

2 植物对风吹处理的响应

(1)草本植物风响应试验

沙米(Agriophyllum squarrosum)、大果虫实(Corispermum macrocarpum)、胡枝子(Lespedeza davurica)和马唐(Digitaria cilliaris)是科尔沁沙地常见的几种具有代表性的地表固沙植物。在样品室II中放置上述四种植物。研究这种植物对风胁迫的生理响应。利用多功能便携式试验风洞进行试验后的结果表明，在风胁迫条件下，植物自身适应性调节使气孔导度降低，而CO₂和水分进出叶片细胞内阻力也相应增加，导致蒸腾速率的下降，进而表现为净光合速率的下降，而风胁迫所导致的光合速率降低，又使植物生物量积累减少，从而对植物的正常生长造成影响。试验证明，风速越大，植物各项生理指标因此降低的程度就越显著，从而对植物的正常生长产生的影响也就更显著。

从上述四种植物蒸腾速率的下降幅度得知，不论在4ms^-1还是8ms^-1风速下，胡枝子和马唐的降幅均小于沙米和大果虫实，由此可以推测出胡枝子和马唐对风胁迫的适应能力要强于沙米和大果虫实。这可以作为当地选择防风固沙植物种的依据。

(2)灌木风响应试验

以科尔沁沙地的黄柳(Salix gordejevii ChangetSkv.)和小叶锦鸡儿(Caragana microphylla Lam.)为研究对象。利用多功能便携式试验风洞对自然条件下生长的灌木进行不同风吹处理，同时采用Dynamax茎流测量系统直接测定灌丛分枝的茎干液流速率，并根据同步获取的叶片光合、蒸腾和环境因子的测值对这两种灌木的蒸腾耗水特性与不同风速关系进行了试验。

试验结果显示：风吹强度及吹袭时间长短、间隔等是影响植物生理生态特征的重要因素，都会对植物的物质积累与生长发育造成很大的影响。风胁迫通常会降低灌木净光合速率，长期频繁的风沙吹袭会阻碍植物的碳同化作用，从而减少植物营养物质积累，使植物的生长速度变缓。沙生植物通常对风沙流胁迫具有一定的适应性，不同种植物应对风胁迫的响应特征也不尽相同。

风吹胁迫对黄柳叶片净光合速率和蒸腾速率产生了明显的抑制效应，这种效应随风吹时间长和强度的增加而增大。净光合速率和蒸腾速率的下降主要与气孔调节、干旱胁迫(相对含水量降低)、叶温降低等有关。与黄柳不同，4ms^-1风速是风对小叶锦鸡儿净光合速率和蒸腾速率影响效应的拐点。低于该值时，由于风胁迫导致部分气孔关闭或气孔的开合程度减小，气孔导度因此减小，蒸腾速率降低；高于4ms^-1风速时，叶片表面气体流动加快，由此对蒸腾速率产生的促进作用大于气孔关闭所带来的抑制效应，蒸腾速率也会因此大幅提升。

风显著地促进了黄柳的茎干液流传输，却对小叶锦鸡儿液流活动产生限制作用。相同的风吹条件对黄柳和小叶锦鸡儿茎干液流活动的影响效应与叶片水平蒸腾速率的测量结果也不一致，这在黄柳上表现尤为突出。黄柳茎干、叶片两个组织水平上的蒸腾耗水实验测量结果完全相反。上述现象说明，由光合作用仪测定的蒸腾速率，反映的是由叶片生理机能的改变引发气孔开闭而产生的叶片散失水分的变化，受周围瞬时环境因子变化的影响显著，因叶片所处灌丛分枝的上下位置、内外层次的通透性，及其生理学特性和向光性不同而有所差异；而利用茎流计测得的茎流速率，反映的是被测单枝的液流特征，不考虑灌丛自身代谢所消耗的水分，是冠层所有叶片蒸腾作用的结果。本实验所测得样叶蒸腾速率的变化只能代表吹风枝部分叶片蒸腾特征，不能全面反映所有与分枝相联叶片的耗水状况，因此也就无法整体地反映风对灌木茎干液流动态变化特征的影响效应。

实验结果表明，灌木各生理指标因风吹胁迫而改变的程度比草本及半灌木要小，说明供试灌木在风沙环境下具有更强的适应性。

Claims (2)

1.一种野外便携式试验风洞，是由发电机(1)、稳压器(2)、风速调控装置(3)、轴流风机(4)、矩形直筒体(5)和风速测量装置(6)组成，其特征是矩形直筒体(5)由几组可拆装的单元筒体(7)构成，单元筒体(7)长为1m，截面为0.5×0.5m²，底部置有尼龙毯(15)；单元筒体(7)的棱边用木龙骨或金属板固定，连接处加装密封条(11)，并用螺栓(10)紧固；轴流风机(4)通过导线连接风速调控装置(3)、稳压器(2)和发电机(1)；实验段的进风口和出风口(13)处安装垂直风口的整流纱网(14)；矩形直筒体(5)的一单元筒体为实验样品室(8)，实验样品室(8)分为I、II两种类型。

2.根据权利要求1所述的一种野外便携式试验风洞，其特征是实验样品室I底部有开口(16)，顶部设风速测量槽(17)，皮托管(12)穿过风速测量槽(17)与风速测量装置(6)连接，内部顶端安装人工光源；侧面开有推拉门(18)，另一侧面开有观测窗口(19)。

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