CN102135467B - 热风式湍流模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种热风式湍流模拟装置，用于产生可控的大气湍流；该模拟装置整体结构包括调节底板、箱体、进风导管、出风导管、窗口玻璃、加热和风速控制器以及测量输出显示器。一端利用风扇将经过热加热器加热的空气送入模拟装置中，再利用另一端风扇抽吸热空气，从而在模拟装置中形成湍流。通过调节加热和风速控制器来调节加热器的温度和风扇的风速，可以控制湍流的强度，同时该装置还可以保证热气流的均匀性和横向风的方向。本发明能产生符合大气湍流生成原理的湍流，可以方便的实时调节箱体内大气湍流的强度，并且结构简单，操作方便。

Description

热风式湍流模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟大气湍流的装置，可用于实时产生可控的大气湍流。

背景技术

大气湍流是一种随机空气运动状态，具有随机特性的湍流是有规律的层流在流速很大的情况下失稳所形成的。由于人类活动的影响、地球表面对气流拖曳造成的风速剪切、地球表面不同位置所受太阳辐射影响不同、地表热辐射导致的热对流、包含热量释放的相变过程等，造成了温度和速度场的随机改变。由于上述变化，处于流动状态的大气中存在许多温度、压强、密度、流速不同的气流涡漩。这些气流涡漩不停的运动变化，运动之间相互交联、叠加，形成随机的湍流运动，这就是大气湍流。

许多成像系统、大气激光通信系统、自适应光学系统等都是在大气湍流条件下工作。激光束在大气中传输时会受大气湍流的影响而产生随机动态畸变，从而导致成像质量的变坏。为了能更好更方便的研究大气湍流的特性以及对各种系统的影响，在室内进行大气湍流实验已引起人们的极大兴趣。但是要实现对湍流的真实模拟，并且做到在实验室可控可操作，需要满足以下几个条件：(1)湍流分布均匀，强度可调可测；(2)横向风均匀，且风速可调可测；(3)密闭，不受外界环境影响。

国内外文献资料中提到用多种方式产生人造大气湍流。国外有阿拉巴马大学的液晶电视(LCTV)空间光调制装置(SPIE，1997，3073：404-415)，科罗拉多大学基于冷热空气混合的湍流箱(SPIE，1998，3432：50-56)以及马里兰州大学的充液式湍流发生管(SPIE，1998，3432：38-49)等，这些装置都能产生需要的湍流，但是使用不便。

2004年，成都光电所张慧敏等人在论文中提到了一种简易热风式大气湍流模拟装置(光电工程，2004，Vol.31增刊，P.4-7)，该装置通过加热放置在通光管道下部的陶瓷电阻，对传输光束周围的空气加热，再利用顶部的抽气式风扇抽吸热空气形成湍流。但是利用这种方式产生的湍流分布是不均匀的，下强上弱，这是由于陶瓷电阻在下方，导致加热不均匀，同时风扇抽取热空气产生的风速场很乱，并且不是希望的横向风。

发明内容

为了解决现有技术的技术问题，本发明的目的是提供一种能产生一定强度和横向风速的均匀大气湍流、并且方便可调节的热风式湍流模拟装置。

为实现本发明的目的，本发明提供的热风式湍流模拟装置解决技术问题的技术方案包括：调节底板、箱体、进风导管、出风导管、两个窗口玻璃、加热和风速控制器和测量输出显示器；

箱体包括：内箱体、网栅、进风侧向导流板、风口倾斜导流板、风速传感器、温度传感器和外壳；

内箱体固定在箱体的中间，内箱体传输光束；在内箱体的进风一侧固定有网栅，网栅使热气流均匀化，并对气流有缓冲作用；在进风处的箱体和内箱体的空间里放置多块进风侧向导流板，多块进风侧向导流板将进来的热风打散，更有利于网栅对热风进行均匀化；风口倾斜导流板放置在进风口和出风口的下方，将风导进和导出；安放在内箱体出风一侧的风速传感器和温度传感器，实时测量箱体内热风的风速和温度，以便外界实时进行调节；

进风导管包括：加热装置、调速风机A和导风管A；加热装置和调速风机A固定在导风管A的内部，调速风机A固定在加热装置的下方；由导风管A导入的空气被加热装置加热，并在可调速风机A的推动下进入箱体内部；改变加热装置的外加电压改变湍流空气的温度，从而调节湍流的强弱，调速风机A的转速也可以通过改变驱动电压来进行调节，产生不同大小的风速；

出风导管包括：调速风机B和导风管B；调速风机B固定在导风管B内部；调速风机B向上抽取热空气，产生垂直于光束传输方向的横向风，进入箱体内的热空气被强行抽出，并通过导风管B导出测量环境，这样就在箱体内形成了热气流；进风导管和出风导管的长度根据需要任意设置，将进出风导到实验环境外，不让进出风影响实验环境；

箱体和嵌设在箱体上的两个窗口玻璃构成一个前后封闭的装置，前后封闭的装置固定在调节底板上并保证箱体内的热气流不受外界环境的影响；在箱体上端设有进风口和出风口中分别固定进风导管和出风导管，热风由进风导管进及由出风导管出；传输光束通过一个玻璃窗口进入，经过箱体内流动的热空气后，从另一个玻璃窗口射出；利用调节底板可以调节箱体的高度和角度；加热和风速控制器嵌入箱体的安装孔中，加热和风速控制器的输出端与加热装置输入端，调速风机A和调速风机B的输入端连接，用于控制加热器温度和风扇风速；测量输出显示器嵌入箱体的安装孔中，测量输出显示器的一端和位于箱体内的风速传感器和温度传感器连接，实时显示箱体内的风速和温度大小。

所述的窗口玻璃采用优质光学质量的光学玻璃经抛光加工而成不带像差的平面玻璃窗口。

所述的窗口玻璃采用优质光学质量的光学玻璃经抛光加工而成，是根据需要在加工时产生需要的大小和分布的静态像差玻璃板作像差板使用，以增大模拟装置的适用范围。

所述的加热装置是用各种电热效应来实现加热的装置或器件。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)能产生符合大气湍流生成原理的湍流；

2)封闭式结构和导风管的使用，使整个湍流模拟环境不易受外界环境的干扰；

3)侧向导流板和网栅的使用使热空气更加均匀；

4)本结构更利于产生横向风，使风垂直于传输光束的传输方向；

5)可以方便的实时调节和显示箱体内空气的温度和风速，即可测量和调节大气湍流的强度；

6)结构简单，操作方便，可重复。

附图说明

图1为本发明中热风式湍流模拟装置的外观示意图；

图2为本发明中热风式湍流模拟装置的剖面视图。

图中：1调节底板，2箱体，3进风导管，4出风导管，5窗口玻璃，6加热和风速控制器，7测量输出显示器，201内箱体，202网栅，203进风侧向导流板，204风口倾斜导流板，205风速传感器，206温度传感器，207外壳，301加热装置，302可调速风机A，303导风管A，401可调速风机B，402导风管B。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的原理：实际大气湍流的产生是由于大气温度、压强和流速的随机变化引起的气流涡漩随机改变，因此模拟大气湍流的产生和测量需要满足两个要素：一是热空气的温度可测量可控制，二是热空气的横向风速可测量可控制。该热风湍流模拟装置的设计思想就是一端利用风扇将经过热加热器加热的空气送入模拟装置中，再利用另一端风扇抽吸热空气，从而在模拟装置中形成湍流。湍流的强度可以通过调节加热器的温度和风扇的风速实现，同时该装置还考虑了热气流的均匀性和保证横向风的方向。

如图1示出的热风式湍流模拟装置的外观图和图2示出的热风式湍流模拟装置的剖面视图，本发明的技术解决方案是：一种热风式湍流模拟装置，整体结构包括调节底板1、箱体2、进风导管3、出风导管4、两个窗口玻璃5、加热和风速控制器6和测量输出显示器7；

箱体2包括：内箱体201，网栅202，进风侧向导流板203，风口倾斜导流板204，风速传感器205，温度传感器206和外壳207；内箱体201固定在箱体2的中间，内箱体201传输光束，在内箱体201的进风一侧固定有网栅202，网栅202使热气流均匀化，并对气流有缓冲作用；在进风处的箱体2和内箱体201的空间里放置多块进风侧向导流板203，多块进风侧向导流板203将进来的热风打散，更有利于网栅202对热风进行均匀化；风口倾斜导流板204放置在进风口和出风口的下方，将风导进和导出；安放在内箱体201出风一侧的风速传感器205和温度传感器206，实时测量箱体2内热风的风速和温度，以便外界实时进行调节；

进风导管3包括：加热装置301，调速风机A302和导风管A303；加热装置301和调速风机A302固定在导风管A303的内部，调速风机A302固定在加热装置301的下方；加热装置301是用各种电热效应来实现加热的装置或器件；由导风管A303导入的空气被加热装置301加热，并在可调速风机A302的推动下进入箱体2内部；改变加热装置301的外加电压改变湍流空气的温度，从而调节湍流的强弱，调速风机A302的转速也可以通过改变驱动电压来进行调节，产生不同大小的风速；

出风导管4包括：调速风机B401和导风管B402；调速风机B401固定在导风管B402内部；调速风机B401向上抽取热空气，产生垂直于光束传输方向的横向风，进入箱体2内的热空气被强行抽出，并通过导风管B402导出测量环境，这样就在箱体2内形成了热气流；进风导管3和出风导管4的长度根据需要任意设置，将进出风导到实验环境外，不让进出风影响实验环境；

箱体2和嵌设在箱体2上的两个窗口玻璃5构成一个前后封闭的装置，前后封闭的装置固定在调节底板1上并保证箱体2内的热气流不受外界环境的影响；在箱体2上端设有进风口和出风口中分别固定进风导管3和出风导管4，热风由进风导管3进及由出风导管4出；传输光束通过一个玻璃窗口5进入，经过箱体2内流动的热空气后，从另一个玻璃窗口5射出；利用调节底板1可以调节箱体2的高度和角度；加热和风速控制器6嵌入箱体2的安装孔中，加热和风速控制器6的输出端与加热装置301输入端，调速风机A302和调速风机B401的输入端连接，用于控制加热器温度和风扇风速；测量输出显示器7嵌入箱体2的安装孔中，测量输出显示器7的一端和位于箱体2内的风速传感器205和温度传感器206连接，实时显示箱体2内的风速和温度大小。

所述的窗口玻璃5采用优质光学质量的光学玻璃经抛光加工而成不带像差的平面玻璃窗口。

所述的窗口玻璃5采用优质光学质量的光学玻璃经抛光加工而成，是根据需要在加工时产生需要的大小和分布的静态像差玻璃板作像差板使用，以增大模拟装置的适用范围。

如图1所示，使用时，首先调节调节底板1，使传输光束基本通过玻璃窗口5的中心；开启加热和风速控制器6，控制加热装置301和可调速风机A 302，产生热风通过导风管A303导进箱体2内；热风经过风口倾斜导流板204的导入、进风侧向导流板203的打散和网删202的均匀化和缓冲作用，进入内箱体201；安放在内箱体201出风一侧的风速传感器205和温度传感器206，实时测量箱体2内热风的风速和温度，并通过测量输出显示器7实时显示，以便外界实时进行调节；同时可调速风机B 401向上抽取热空气，产生垂直于光束传输方向的横向风，进入箱体内的热空气通过出口的可调速风机B 402被强行抽出，并通过导风管B 402导出测量环境，这样就在箱体内形成了热气流。

如果不需要产生额外的像差，窗口玻璃5为不带像差的平面玻璃窗口；如果需要，窗口玻璃5可以在加工时产生需要的大小和分布的静态像差玻璃板，即作为像差板使用，这样通过热风式湍流模拟装置的传输光束不仅受到了大气湍流的影响，而且还会附加上设计的像差。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种热风式湍流模拟装置，其特征在于：整体结构包括调节底板(1)、箱体(2)、进风导管(3)、出风导管(4)、两个窗口玻璃(5)、加热和风速控制器(6)和测量输出显示器(7)；

箱体(2)包括：内箱体(201)、网栅(202)、进风侧向导流板(203)、风口倾斜导流板(204)、风速传感器(205)、温度传感器(206)和外壳(207)；

内箱体(201)固定在箱体(2)的中间，内箱体(201)传输光束；在内箱体(201)的进风一侧固定有网栅(202)，网栅(202)使热气流均匀化，并对气流有缓冲作用；在进风处的箱体(2)和内箱体(201)的空间里放置多块进风侧向导流板(203)，多块进风侧向导流板(203)将进来的热风打散，更有利于网栅(202)对热风进行均匀化；风口倾斜导流板(204)放置在进风口和出风口的下方，将风导进和导出；安放在内箱体(201)出风一侧的风速传感器(205)和温度传感器(206)，实时测量箱体(2)内热风的风速和温度，以便外界实时进行调节；

进风导管(3)包括：加热装置(301)、调速风机A(302)和导风管A(303)；加热装置(301)和调速风机A(302)固定在导风管A(303)的内部，调速风机A(302)固定在加热装置(301)的下方；由导风管A(303)导入的空气被加热装置(301)加热，并在可调速风机A(302)的推动下进入箱体(2)内部；改变加热装置(301)的外加电压改变湍流空气的温度，从而调节湍流的强弱，调速风机A(302)的转速通过改变驱动电压来进行调节，产生不同大小的风速；

出风导管(4)包括：调速风机B(401)和导风管B(402)；调速风机B(401)固定在导风管B(402)内部；调速风机B(401)向上抽取热空气，产生垂直于光束传输方向的横向风，进入箱体(2)内的热空气被强行抽出，并通过导风管B(402)导出测量环境，这样就在箱体(2)内形成了热气流；进风导管(3)和出风导管(4)的长度根据需要任意设置，将进出风导到实验环境外，不让进出风影响实验环境；

箱体(2)和嵌设在箱体(2)上的两个窗口玻璃(5)构成一个前后封闭的装置，前后封闭的装置固定在调节底板(1)上并保证箱体(2)内的热气流不受外界环境的影响；在箱体(2)上端设有进风口和出风口中分别固定进风导管(3)和出风导管(4)，热风由进风导管(3)进及由出风导管(4)出；传输光束通过一个玻璃窗口(5)进入，经过箱体(2)内流动的热空气后，从另一个玻璃窗口(5)射出；利用调节底板(1)能调节箱体(2)的高度和角度；加热和风速控制器(6)嵌入箱体(2)的安装孔中，加热和风速控制器(6)的输出端与加热装置(301)输入端，调速风机A(302)和调速风机B(401)的输入端连接，用于控制加热器温度和风扇风速；测量输出显示器(7)嵌入箱体(2)的安装孔中，测量输出显示器(7)的一端和位于箱体(2)内的风速传感器(205)和温度传感器(206)连接，实时显示箱体(2)内的风速和温度大小。

2.根据权利要求1所述的一种热风式湍流模拟装置，其特征在于：所述的窗口玻璃(5)采用优质光学质量的光学玻璃经抛光加工而成不带像差的平面玻璃窗口。

3.根据权利要求1所述的一种热风式湍流模拟装置，其特征在于：所述的窗口玻璃(5)采用优质光学质量的光学玻璃经抛光加工而成，是根据需要在加工时产生需要的大小和分布的静态像差玻璃板作像差板使用，以增大模拟装置的适用范围。

4.根据权利要求1所述的一种热风式湍流模拟装置，其特征在于：所述的加热装置(301)是用各种电热效应来实现加热的装置或器件。

Images