CN103364168A - 一种开/闭口双结构微风风洞 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种开/闭口双结构微风风洞,其特征在于该风洞包括共用部件和配用部件，共用部件主要为箱体，包括横梁、风洞顶板、风洞底板、风洞侧板和风洞前板，横梁用于支撑风洞顶板，风洞侧板中的一个侧板上开有风门，另一个侧板上开有风窗，风窗与风门错位设置；配用部件分为开口和闭口配件；开口配件主要为开口风洞前板，其上并排垂直安装有大转板，大转板上安装有开口风扇，将开口风洞前板组装在箱体的前面，并封闭风窗和关闭风门，构成为开口式风洞；闭口配件主要为整体的闭口风洞前、后板，且在所述风窗处安装小转板，小转板上装有闭口风扇，将闭口风洞前、后板分别组装在箱体的前面和后面，并将风门打开，构成为闭口式风洞。

Description

一种开/闭口双结构微风风洞

技术领域

本发明属于流体力学技术领域，具体是一种开/闭口双结构微风风洞，主要用于近地表微风气流的模拟。

背景技术

人工风洞被广泛地用于航空、建筑等领域，由于其可以经济、方便、准确地获取实验数据，从而对飞行器的飞行策略与高层建筑的结构稳定性进行评估有很大的帮助。随着人们对气象、环境等问题重视程度的增加，越来越多的研究人员开始关注空气污染源所处的周围环境对污染传播的影响，风洞逐渐成为模拟地表（室内或室外）气体污染源扩散的实验平台。由于地表气流多为微风湍流，现阶段对地表微风湍流的分析研究中，大多采用微风风洞作为研究平台。

风洞模拟技术按照有无控制部件可分为主动模拟与被动模拟两大类。被动模拟风洞没有可控部件。主动模拟风洞包括可控运动机构，例如振动翼栅、变频调速风机阵列等。Pyk等（2006）{P Pyk,S B i Badia,U Bernardet,et al.An artificial moth:Chemical sourcelocalization using a robot based neuronal model of moth optomotor anemotactic search[J].Autonomous Robots,2006,20(3):197-213.}等在污染源定位实验中建立了主动模拟策略下的风洞。风洞由透明的聚乙烯薄膜搭建，在风洞的出气口有一个用来产生负压从而控制风洞内最大气体流速在1.0m/s的4.4kw可控离心风扇，风洞的长和高分别是3米和0.8米。在离心风扇前有五个轴流式风扇，用来产生一致对称的速度轮廓，并且在风洞的入风口采用直径为1厘米的赫氏材料，以消除气流中大尺度漩涡{The wind tunnel constructedfrom transparent polyethylene sheeting.A controllable master4.4kW centrifugalfan generated negative pressure at the outlet of the wind tunnel(of cross-sectionalarea3×0.8m(length×height))to control the flow velocity within the windtunnel up to1.0m/s.Five axial fans were installed at the wind tunnel exit,infront of a manifold feeding the master fan,in order to adjust for a uniform andsymmetric velocity profile.Hexcel material of1cm diameter was used at the inletof the wind tunnel in order to remove large scale eddies from the flow.}。在此风洞中风速可调，但风向一定。多风扇控制风洞是Nishi等(1995){A Nishi,H Miyagi.Computer-controlled wind tunnel for wind-engineering applications[J].Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics,1995,54:493-504.}提出的一种主动模拟策略下的风洞。此风洞与传统的边界层风洞比起来有很短的测试区，每个风扇的速度可根据计算机的输出电压（0~10V）在0到11m/s范围内变化。为了减小风洞内管道的边界效应，在风洞蜂巢状芯轴的后面装有直径为12mm的圆柱栅栏{They have very short testsections compared with conventional boundary layer tunnels.The wind speed of eachfan can be controlled from0to11m/s,by applying computer output voltages from0to10V.To decrease the effect of the channel-wall boundary layer,12mm diametercylindrical bars are inserted just after the honeycomb core.}。此风洞内可产生与环境类似的湍流风场，主要用在建筑结构分析实验中，产生的风速较大，但造价很高，并不能直接用来模拟地表气体污染源的扩散实验。

发明内容

针对现有风洞在模拟地表微弱气流方面存在的不足，本发明提出了一种开/闭口双结构微风风洞。该微风风洞结构简单、造价低、拆装方便，且风速/风向均可调控，能较好地模拟室内或室外地表的微风湍流。

本发明解决所述技术问题的方案是：设计一种开/闭口双结构微风风洞，其特征在于该微风风洞包括共用部件和配用部件，所述共用部件主要为箱体，包括横梁、风洞顶板、风洞底板、风洞侧板，横梁用于支撑风洞顶板，风洞侧板中的一个侧板上开有风门，另一个侧板上开有风窗，风窗与风门错位设置；所述配用部件分为闭口配件和开口配件；闭口配件主要为整体的闭口风洞前板和整体的闭口风洞后板，且在所述风窗处安装小转板，小转板上装有闭口风扇，将闭口风洞前板和闭口风洞后板分别组装在箱体的前面和后面，并将风门打开，构成为闭口式风洞；开口配件主要为整体的开口风洞前板，其上并排垂直安装有大转板，大转板上安装有开口风扇，将开口风洞前板组装在箱体的前面，并封闭风窗和关闭风门，构成为开口式风洞；所述闭口式风洞的每个闭口风扇的转速由PWM信号控制，且均可产生0～1.2m/s的可控风速；每扇风窗上的闭口风扇均安装在可以绕其转轴±90°角转动的小转板上，小转板的转速与转向由步进电机控制；所述开口式风洞的每个开口风扇的转速由PWM信号控制，且均可产生0～1.2m/s的可控风速，并由步进电机控制大转板的转速与转向，使大转板可绕其转轴在±90°角的范围内旋转。

与现有技术相比，本发明微风风洞具有以下有益效果及优点：

1.具有闭口式微风风洞与开口式微风风洞双结构设计，且两种风洞形式可相互方便转换，有助于对室内通风环境及室外地表湍流环境进行模拟，有利于实验研究；

2.结构简单，拆装方便，造价低，节约实验成本；风洞为整体矩形框架结构，采用有机玻璃材料制成，透光性强，内部直观视觉效果好，使用寿命长，并且造价低。

3.为多风扇主动控制微风风洞，可有效模拟室内通风环境及室外近地表微风环境，采用主动模拟策略。主动控制部件为多个风扇与转板，风扇可产生0～1.2m/s的风速，闭口式结构风洞窗上的转板与开口式结构风洞进风口的6个转板均可绕其转轴在-90°至90°范围内旋转。因此，在风洞中，风速与风向均可调控，从而产生与地表湍流环境相近的气流场。

附图说明

图1为本发明开/闭口双结构微风风洞一种实施例的箱体结构示意图。

图2为本发明开/闭口双结构微风风洞一种实施例的闭口式微风风洞结构示意图。

图3为本发明开/闭口双结构微风风洞一种实施例的开口式微风风洞结构示意图。

图4为本发明开/闭口双结构微风风洞一种实施例的闭口式微风风洞小转板结构示意图。

图5为本发明开/闭口双结构微风风洞一种实施例的开口式微风风洞大转板结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不受限于下述实施例的描述。

本发明设计的开/闭口双结构微风风洞（以下简称风洞，参见图1-5），其特征在于该微风风洞包括共用部件和配用部件，所述共用部件主要为风洞箱体（参见图1，共用部件在附图中以字母G+数字标识），包括风洞顶板G1、横梁G2、风洞底板G3、风洞两个侧板G4、G5，一个侧板（G4）开有风窗G6，另一个侧板（G5）上开有风门G7；风洞箱体为长方体结构，与侧板G4、G5垂直的两侧保持打开（图1中，从侧板G4向G5看过去，左侧定义为箱体的前侧，右侧定义为箱体的后侧）。其中，实施例的横梁G2共6根，均匀分布于风洞箱体的顶板G1下，用于支撑顶板G1；为了方便其他实验设备（如机器人等）在风洞内正常活动，风洞底板G3由表面的光滑薄钢板和下面的木板构成；为方便观测风洞内的实验情况，风洞顶板G1与侧板G4、G5由透明的有机玻璃构成；风窗G6为两扇，均位于风洞箱体的一个侧板G4上，风窗G6的宽×高为0.15m×0.3m，两扇风窗G6的中心位置距离风洞前侧分别为0.5m和1.8m，窗G6底部距离风洞底板G3为0.3m；风门G7位于风洞箱体的另一个侧板G5上，风门G7的宽×高为0.3m×0.6m，风门G7的中心位置距离风洞后侧0.35m。所述配用部件分为闭口配件和开口配件；闭口配件（参见图2，闭口结构的配件在图中以字母B+数字标识）主要为整体的闭口风洞前板B1和整体的闭口风洞后板B2，且在所述风窗G6处安装小转板B3，小转板B3上装有开口风扇B33（见图4），将闭口风洞前板B1和闭口风洞后板B2分别组装在箱体的前侧和后侧，并将风门G7打开，构成为闭口式风洞结构；开口配件（参见图3，开口结构的配件在图中以字母K+数字标识）主要为开口风洞前板K1，其上并排垂直安装有大转板K2，大转板K2上安装有开口风扇K23（见图5），将开口风洞前板K1组装在箱体的前侧，箱体的后侧保持打开，并用透明的有机玻璃板封闭风窗G6和风门G7，构成为开口式风洞结构；所述闭口式风洞的每个闭口风扇B33均安装在小转板B3上，闭口风扇B33转速由PWM信号控制，可产生的风速在0～1.2m/s；并由步进电机分别控制风窗G6上小转板B3的转速与转向，使小转板B3可绕其转轴B31±90°角旋转（参见图4）；所述开口式风洞的每个开口风扇K23均安装在大转板K2上，开口风扇K23转速同样由PWM信号控制，均可产生0～1.2m/s的可控风速，并由步进电机分别控制大转板K2的转速与转向，使大转板K2可绕其转轴K21±90°角旋转（参见图5）。

本发明风洞的进一步特征在于所述的闭口风洞前板B1和闭口风洞后板B2由透明材料制成。

本发明风洞的进一步特征在于所述的开口风洞前板K1材料为钢板，其上并排垂直安装有六个大转板K2，并由六台步进电机分别控制大转板K2的转速与转向，每个大转板K2上安有双列、每列4个开口风扇K23。

本发明风洞的进一步特征还在于所述风窗G6开有2个，每个风窗G6的小转板上装有上下布置的2个闭口风扇B33，并由两台步进电机分别控制风窗G6上小转板B3的转速与转向。

本发明风洞是一种矩形截面的直流式低速微风风洞，实施例的尺寸为（长×宽×高）：4m×3m×1m；整体为横向设置的长方体状，可以配装成闭口式风洞或开口式风洞结构，分别用以模拟室内通风环境或室外的地表湍流场。微风风洞为开口式结构或闭口式结构时，其内部的气流场均由多个风扇产生，每个风扇的转速和每个转板的转速与转向均可由计算机的输出信号PWM控制，因此是一种多风扇主动控制微风风洞。

本发明风洞的主要特点是所述闭口式风洞结构和开口式风洞结构可改装互换，即在风洞箱体的基础上，对其结构进行改装或配装。在风洞箱体的前、后侧（参见图1）分别安装两个有机玻璃构成的风洞前板B1、风洞后板B2，风窗G6处的有机玻璃取下后，安装装有风扇的转板B3，将风门G7处的有机玻璃取下，成为闭口式结构（参见图2）；在风洞箱体的前侧安装风洞前板K1，在风洞前板K1上并排垂直安装有六个大转板K2，风洞箱体后侧则保持打开状态，成为开口式风洞结构（参见图3）。

以下进一步给出本发明风洞的具体实施例。

实施例1

本发明闭口式风洞的结构为一个房间的缩小模型（参见图2），主要包括风洞箱体（G1-7）、前板B1、后板B2、转板B3；其中，前板B1和后板B2由透明的有机玻璃板构成，使风洞四周形成一个封闭透明的结构；每扇风窗G6上均安装一个转板B3，转板B3有一个转轴B31与两个风扇置孔B32，每个风扇置孔B32上均安装有闭口风扇B33，转轴B31位于转板B3上下两端的中心位置，每扇窗G6上的转板B3通过转轴B31与窗上下连接，转板B3上都装有两台直径为0.14m的闭口风扇B33，闭口风扇B33位于风扇置孔B32内。

在对室内通风环境进行模拟实验时，风窗G6处作为进风口，风门G7处作为出风口。风洞内的气流环境的变化取决于风窗G6上风扇B33的转速与转板B3的朝向。每个风扇B33的转速由PWM信号控制，产生的风速在0～1.2m/s；每扇风窗G6上的两个风扇均安装在可以绕转轴B31±90°角转动的转板B3上，转板B3的转速与转向由步进电机控制，从而改变风窗G6处的进风向。在控制转板B3转速和转向与风扇B33转速时，采用随机控制的策略，以满足真实的室内环境中地表气流变化的随机性。

实施例2

在实施例1中介绍的用于模拟室内通风环境的闭口式风洞结构上稍加改造即可将其用于模拟室外地表环境湍流的开口式结构风洞（参见图3）。由闭口式结构改装成开口式结构时，风洞箱体（G1-7）的结构不变，将实施例1中闭口式风洞箱体的前板B1、后板B2去除(参见图2)，风窗G6上的转板B3取下，风窗G6和风门G7都用有机玻璃板封闭，风洞箱体的前侧面为进风口，安装风洞前板K1，尺寸为宽×高为3m×1m，风洞前板K1上均匀布满转板K2（参见图5），每个转板K2的尺寸为宽×高为0.5m×1m，共排有六个转板K2。每个转板K2上包含转轴K21与风扇置孔K22，转轴K21位于转板K2上下两端的中心位置，与风洞箱体的前侧面上下连接；转板K2上的风扇置孔K22为8个，每个风扇置孔K22中均装有一个直径为0.14m的风扇K23。

在对室外微风环境进行模拟时，每个开口风扇K23的转速由PWM信号控制，产生的风速在0～1.2m/s；每个开口风扇K23均安装在可以绕转轴K21±90°角转动的转板K2上，每个转板K2的转速与转向分别由步进电机控制，从而模拟室外风场的变化。在控制转板K2的转速和转向与风扇K23转速时，也采用随机控制的策略，风洞内的风场会随之变化，以满足真实的室外环境中地表气流变化的随机性。由于室外环境是无边界环境，所以在风洞中模拟室外风场应选取风洞中间部分（可近似看作无边界条件）作为实验区。

实施例中各个运动部件均由计算机控制。为了方便控制，开/闭口式结构中所用到的风扇B33、K23和步进电机的型号均相同。在开/闭口式结构风洞中，所有风扇的转速由计算机给出的PWM信号控制，而PWM信号的占空比由随机控制算法决定，由此每个风扇可以随机产生0～1.2m/s的风速；所有步进电机的转速、每次转动的角度和转向也由计算机给出的方波信号控制，而方波信号的频率、每次输出方波信号的个数以及控制步进电机转向的方向信号也由随机控制算法决定。

为验证本发明所设计风洞的可行性，对风洞内的气流数据进行采集，并与现实室内和室外环境下采集的气流数据进行对比。实验数据分析可依据湍流的不规则性、多尺度特征及混沌特性。在分析风速时可使用湍流统计理论中的峰度、偏度、湍流强度、方差和湍动能。通过以上统计指标对风洞内模拟的气流情况与真实环境对比之后，若两者的指标接近，则可判断所设计风洞能模拟自然气流的间歇性、不对称性与湍流强度。

实施例1、2中，两种低速风洞的洞体相同。在风洞内，分别采用开口式结构和闭口式结构进行室外与室内地表湍流模拟实验，并记录下气流数据，从实验研究需要出发，得到开口、闭口结构可以相互改装的低速微风风洞，并依据随机控制策略，从而可搭建一个简单方便的地表湍流分析实验平台。

综上所述，已有的人工风洞很难直接应用于室内或室外地表微风湍流的模拟。充分考虑到在气体污染源定位实验中对室内或室外地表微风湍流模拟的研究需要，本发明设计的微风风洞，是一种结构简单、造价低廉、拆装转换方便、风速/风向均可控的开/闭口双结构微风风洞。

本发明所构建的人工风洞，考虑到气体污染源所处的环境可能为室内或室外地表，其开口式结构和闭口式结构可改装互换用以分别模拟不同的地表湍流环境。在控制方法上，一方面采用主动模拟策略，不仅风速可以控制，而且由于闭口式结构风洞窗上的转板与开口式结构风洞进风口的六个转板均可根据控制信号绕其转轴-90°至90°范围内旋转，风向也可以控制；另一方面，根据室外环境湍流随机性的特点，并总结湍流间歇性经验，采用了随机控制算法控制风扇转速和转板转速与转向。由此，在风洞内可以形成更接近于室内或室外地表环境的微风湍流。

Claims (6)

1.一种开/闭口双结构微风风洞,其特征在于该微风风洞包括共用部件和配用部件，所述共用部件主要为箱体，包括横梁、风洞顶板、风洞底板、风洞侧板，横梁用于支撑风洞顶板，风洞侧板中的一个侧板上开有风门，另一个侧板上开有风窗，风窗与风门错位设置；所述配用部件分为闭口配件和开口配件；闭口配件主要为整体的闭口风洞前板和整体的闭口风洞后板，且在所述风窗处安装小转板，小转板上装有闭口风扇，将闭口风洞前板和闭口风洞后板分别组装在箱体的前面和后面，并将风门打开，构成为闭口式风洞；开口配件主要为整体的开口风洞前板，其上并排垂直安装有大转板，大转板上安装有开口风扇，将开口风洞前板组装在箱体的前面，并封闭风窗和关闭风门，构成为开口式风洞；所述闭口式风洞的每个闭口风扇的转速由PWM信号控制，且均可产生0～1.2m/s的可控风速；每扇风窗上的闭口风扇均安装在可以绕其转轴±90°角转动的小转板上，小转板的转速与转向由步进电机控制；所述开口式风洞的每个开口风扇的转速由PWM信号控制，且均可产生0～1.2m/s的可控风速，并由步进电机控制大转板的转速与转向，使大转板可绕其转轴在±90°角的范围内旋转。

2.根据权利要求1所述的开/闭口双结构微风风洞，其特征在于所述的风洞顶板与风洞侧板由透明材料制成。

3.根据权利要求1所述的开/闭口双结构微风风洞，其特征在于所述的闭口风洞前板和闭口风洞后板由透明材料制成。

4.根据权利要求1所述的开/闭口双结构微风风洞，其特征在于所述的开口风洞前板材料为钢板，其上并排垂直安装有六个大转板，并由六台步进电机分别控制大转板的转速与转向，每个大转板上安有双列、每列4个开口风扇。

5.根据权利要求1所述的开/闭口双结构微风风洞，其特征在于所述风窗开有2个，每个风窗的小转板上装有上下布置的2个闭口风扇，并由两台步进电机分别控制风窗上小转板的转速与转向。

6.根据权利要求1所述的开/闭口双结构微风风洞，其特征在于所述的风洞底板由表面的光滑薄钢板和下面的木板构成。

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