CN104655391A - 一种应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置。所述边界过渡装置主要由多个节段串联拼接而成，每一节段包括两块侧板以及面层；每块侧板具有竖边、底边和曲边；两块侧板的曲边上固定铺设所述面层；所述侧板的竖边高度等于地形模型边界对应位置处的高度；所述侧板的底边长度为风洞宽度的5％～8％，且所述侧板的竖边与底边所形成的坡度在20°～40°；所述侧板的曲边线形由方程确定，其中x代表曲边的径向位置，y代表曲边的竖向位置，参数r与m由方程组确定，式中h₀为竖边的高度，k₀为竖边高度与底边长度之比。本发明能使气流过渡后其风场特性满足要求的前提下，对风洞空间要求低，适用性强。

Description

一种应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置

技术领域

本发明涉及一种应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置。

背景技术

在地形复杂的山区建造桥梁，需要通过桥址区地形模型风洞试验以获得桥址区的平均风速、脉动风速等风特性参数，从而为桥梁的抗风设计与施工提供科学依据。此外，在复杂的山区地形进行风电场宏观和微观选址时，也要明确风电场址处的风场参数，从而为风机高效、安全的运营提供保障。在地形模型风场特性的风洞试验中，由于风洞试验段尺寸的限制，不可能将桥址区(或风电场址)周围大面积的地形全部包括，而只能研究一定范围内的地形，所以风洞试验中地形模型是有边界的。而在复杂地形中，地形的边界总是连绵起伏，因而模拟的地形模型的边界与风洞底板总有一定的高度差。为使风洞中的来流“平滑”地过渡到模型区域，就要求在地形模型的边界处布置有合理的气流过渡装置。

现有的过渡装置主要采用多个平直的30o斜坡板在地形模型边界处拼接而成，当来流流向斜坡板时，由于气流受斜坡的挤压，气流速度沿斜坡会增大，压强会随之减小，由此会产生顺压梯度，当气流达到斜坡与地形模型边界的交角处，速度达到最大，此时相应的压强也就达到最小，因而在交角处之后的地形模型上会产生逆压梯度，当逆压梯度过大时流动就会发生分离，这就会导致此处的风场特性与来流的风场特性产生较大的变化，并使试验来流的风场特性失去参考意义，并最终使试验结果不准确。虽可采用减小坡度(如将坡度降至5°左右)、延长斜坡板长度的方法以减少逆压梯度对试验来流风速的影响，但此法会导致过渡段过长，这对风洞空间要求较高，很难适用于常规的风洞试验需要。

发明内容

本发明旨在提供一种应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，该过渡装置能使过渡后的风场分布特性更接近于试验要求的来流风场特性，且该过渡装置的长度较短(占风洞宽度的5％～8％左右)，在确保气流过渡后其风场特性能满足要求的前提下，对风洞空间要求低，适用性强。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，主要由多个节段串联拼接而成，其特征在于，每一节段包括两块侧板以及设置在两块侧板上的面层；每块侧板具有竖边、底边和曲边；两块侧板的曲边上固定铺设所述面层；所述侧板的竖边高度等于地形模型边界对应位置处的高度；所述侧板的底边长度为风洞宽度的5％～8％，且所述侧板的竖边与底边所形成的坡度为20°～40°；所述侧板的曲边线形由方程 $y-\frac{r^2}{y}+\frac{r^2{x}^2}{y^3}-\frac{r^2{x}^4}{y^5}+\frac{r^2{x}^6}{y^7}-\frac{r^2{x}^8}{y^9}-m=0$ 确定，其中x代表侧板曲边的径向位置，y代表侧板曲边的竖向位置，坐标系原点在所述侧板底边的反向延长线上，且距离竖边与底边交点的距离为而参数r与m由二元一次方程组 $\left\{\begin{array}{c}\frac{m+\sqrt{m^2+4r^2}}{2}-\frac{m+\sqrt{m^2+2.692r^2}}{2}=h_0\\ 1.285\left(\frac{\sqrt{m^2+4r^2}-\sqrt{m^2+2.692r^2}}{m+\sqrt{m^2+2.692r^2}}\right)=k_0\end{array}\right.$ 来确定，式中h₀为侧板竖边的高度或地形模型边界对应位置处的高度，k₀为侧板竖边高度与底边长度之比。

以下为本发明的进一步改进的技术方案：

优选地，多个节段串联拼接形成环形。

为了增强各节段的可靠性和稳定性，每一节段中，两块侧板的底边之间通过多根下横撑相连；两块侧板的曲边之间通过多根上横撑相连；两块侧板的曲边及上横撑所组成的曲面骨架上固定铺设有所述面层。更优选地，每一节段中，两块侧板的底边通过3～5根下横撑相连；两块侧板的曲边则通过4～6根上横撑相连。

更进一步地，每一节段中，两块侧板中的其中一块的竖边顶端与另一块的竖边底端通过斜撑相连。

优选地，所述面层为表面覆膜压合而成的KT板面层。

进一步地，多根所述上横撑的端点均匀分布在两块侧板的曲边上。

所述侧板由1～2cm厚的高密度三合板制成，所述下横撑、上横撑和斜撑均由一定规格的扁木条制成，这使得本发明的装置加工方便、制作容易、成本低，且其结构稳定可靠。

所述侧板的底边上安装有万向轮，从而使本发明过渡装置中的各节段移动方便，在制作、安装、拼接时省时省力，并且在地形模型需要转动以测试其它风向角度的风场特性时，该过渡装置可随地形模型一起转动，从而在多工况的试验中可进一步提高试验效率。

进一步地，每一节段的两块侧板之间的距离小于整个地形模型周长的2.5％，由此可以保证每一节段均能足够密贴于地形模型边缘。

本发明的技术原理为：由于圆柱绕流的流线能使来流平缓地过渡，在圆柱绕流势流理论的基础上，推导出方程 $y-\frac{r^2}{y}+\frac{r^2{x}^2}{y^3}-\frac{r^2{x}^4}{y^5}+\frac{r^2{x}^6}{y^7}-\frac{r^2{x}^8}{y^9}-m=0,$ 经过风洞试验及CFD数值模拟验证，对于相同高度的模型边界及相同长度的过渡装置，从30°斜坡过渡段过渡后，气流发生了分离，而从本方程所形成的曲线过渡段过渡后，气流未发生分离，同时前者的风攻角达到12°，而后者的风攻角仅为5°，且减小很快，因此该方程所形成的曲线过渡段对来流产生的影响较小，或者说该曲线过渡装置能充分保持住试验要求的来流风场特性。在上述方程所形成的曲线过渡段的基础上，为适应边界高度变化的实际复杂地形模型，本发明装置首先将复杂地形模型的边界划分为高度线性渐变的若干节段，并使每个节段两侧板的竖边高度等于地形模型边界对应位置处的高度，而每个节段的曲边则采用方程 $y-\frac{r^2}{y}+\frac{r^2{x}^2}{y^3}-\frac{r^2{x}^4}{y^5}+\frac{r^2{x}^6}{y^7}-\frac{r^2{x}^8}{y^9}-m=0$ 所形成的线形，由于两个侧板的高度不同，由此通过两侧板与上横撑以及KT板面层所组成的迎风面不再是一个二维曲面，而是一个使来流能平缓过渡的三维空间曲面。需要强调的是，由于两侧板的竖边线形采用的是上述方程所形成的曲线线形，因此，当来流经过本发明过渡装置的每个节段时，同样能保证过渡后气流的逆压梯度很小，并对来流风场特性产生的影响较小，这会大大提高来流风场的参考意义，从而会提高试验结果的准确性和可靠性。此外，本发明过渡装置的侧板底边长度约占风洞宽度的5％～8％左右，这对风洞空间要求低，适用性强，适合于常规风洞试验的需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的过渡装置对来流风场的影响很小，这会提高来流风场的参考意义，从而会提高试验结果的准确性和可靠性。

(2)在确保气流过渡后其风场特性能满足要求的前提下，本发明的过渡装置长度较短，占风洞宽度的5％～8％左右，占用风洞的空间尺寸较小，适用性强，适合于常规风洞试验的需求。

(3)本发明的过渡装置是分段拼接而成，便于制作、安装以及拼接成整体，在局部损坏时也可快速维修以及更换。

(4)本发明过渡装置的每个节段都安装有万向轮，在制作、安装、拼接时省时省力，并且在地形模型需要转动以测试不同风向角度的风场特性时，该过渡装置可随地形模型一起转动，从而在多工况的试验中可进一步提高试验效率。

(5)本发明的过渡装置，其每个构件都由一定规格的三合板、扁木条以及KT板加工完成，这使得本发明装置加工方便、制作容易、成本低，且其结构稳定可靠，在部分损坏时也便于维修。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一种实施例的边界过渡装置(部分节段)与地形模型的关系图；

图2是本发明所述过渡段典型节段的三维剖视图；

图3是过渡段节段立体结构的三维线框示意图；

图4是图3的正视图；

图5是图3的侧视图；

图6是图3的俯视图。

在图中：

1、过渡段节段；2、侧板；2A、侧板竖边；2B、侧板底边；2C、侧板曲边；3、KT板面层；4A、下横撑；4B、上横撑；4C、斜撑；5、万向轮。

具体实施方式

一种应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，如图1～图2所示，该过渡装置由多个节段1拼接而成，其中每一节段1的具体组成是：

每块侧板2的三条边分别为竖边2A、底边2B和曲边2C；竖立设置的两块侧板2的底边2B通过3～5根下横撑4A相连；两块侧板2的曲边2C则通过4～6根上横撑4B相连，且4～6根上横撑4B的端点均匀分布在侧板2的曲边2C上；一侧板2的竖边2A顶端与另一侧板2的竖边2A底端通过斜撑4C相连；两块侧板2的曲边2C及上横撑4B所组成的曲面上固定铺设KT板面层3。

所述侧板2的竖边2A高度等于地形模型边界对应位置处的高度，由于地形模型边界起伏不平，因而两块侧板2的竖边2A高度也是不同的；侧板2的底边2B的长度可取风洞宽度的5％～8％左右，且保证竖边2A与底边2B所形成的坡度在20°～40°范围；侧板2的曲边2C线形由方程 $y-\frac{r^2}{y}+\frac{r^2{x}^2}{y^3}-\frac{r^2{x}^4}{y^5}+\frac{r^2{x}^6}{y^7}-\frac{r^2{x}^8}{y^9}-m=0$ 确定，其中x代表侧板曲边2C的径向位置，y代表侧板曲边2C的竖向位置；坐标系原点在所述侧板(2)底边(2B)的反向延长线上，且距离竖边(2A)与底边(2B)交点的距离为而参数r与m由二元一次方程组 $\left\{\begin{array}{c}\frac{m+\sqrt{m^2+4r^2}}{2}-\frac{m+\sqrt{m^2+2.692r^2}}{2}=h_0\\ 1.285\left(\frac{\sqrt{m^2+4r^2}-\sqrt{m^2+2.692r^2}}{m+\sqrt{m^2+2.692r^2}}\right)=k_0\end{array}\right.$ 来确定，式中h₀即为竖边2A的高度或地形模型边界对应位置处的高度，k₀为竖边2A高度与底边2B长度之比；两块侧板2的曲边2C及上横撑4B上固定铺设KT板面层3；两块侧板2的距离一般小于整个地形模型周长的2.5％，以保证每一节段1均能足够密贴于地形模型边缘。

本例的侧板2由1～2cm厚的高密度三合板制成，所述下横撑4A、上横撑4B和斜撑4C均由一定规格的扁木条制成。

为方便过渡段装置的制作、安装以及拼接；此外，在地形模型需要转动以测试其它风向角度的风场特性时，为使该过渡装置能随地形模型一起转动，本例中的过渡装置在两侧板2的底边2B均安装有万向轮5。

值得说明的是，本发明的地形模型周围均布置有过渡装置，图1只示意地画出过渡装置的3个节段。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，主要由多个节段(1)串联拼接而成，其特征在于，每一节段(1)包括两块侧板(2)以及设置在两块侧板(2)上的面层(3)；每块侧板(2)具有竖边(2A)、底边(2B)和曲边(2C)；两块侧板(2)的曲边(2C)上固定铺设所述面层(3)；所述侧板(2)的竖边(2A)高度等于地形模型边界对应位置处的高度；所述侧板(2)的底边(2B)长度为风洞宽度的5％～8％，且所述侧板(2)的竖边(2A)与底边(2B)所形成的坡度为20°～40°；所述侧板(2)的曲边(2C)线形由方程 $y-\frac{r^2}{y}+\frac{r^2{x}^2}{y^3}-\frac{r^2{x}^4}{y^5}+\frac{r^2{x}^6}{y^7}-\frac{r^2{x}^8}{y^9}-m=0$ 确定，其中x代表侧板(2)曲边(2C)的径向位置，y代表侧板(2)曲边(2C)的竖向位置，坐标系原点在所述侧板(2)底边(2B)的反向延长线上，且距离竖边(2A)与底边(2B)交点的距离为而参数r与m由二元一次方程组 $\left\{\begin{array}{c}\frac{m+\sqrt{m^2+4r^2}}{2}-\frac{m+\sqrt{m^2+2.692r^2}}{2}=h_0\\ 1.285\left(\frac{\sqrt{m^2+4r^2}-\sqrt{m^2+2.692r^2}}{m+\sqrt{m^2+2.692r^2}}\right)=k_0\end{array}\right.$ 来确定，式中h₀为侧板(2)竖边(2A)的高度或地形模型边界对应位置处的高度，k₀为侧板(2)竖边(2A)高度与底边(2B)长度之比。

2.根据权利要求1所述的应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，其特征在于，多个节段(1)串联拼接形成环形。

3.根据权利要求1所述的应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，其特征在于，每一节段(1)中，两块侧板(2)的底边(2B)之间通过多根下横撑(4A)相连；两块侧板(2)的曲边(2C)之间通过多根上横撑(4B)相连；两块侧板(2)的曲边(2C)及上横撑(4B)所组成的曲面骨架上固定铺设有所述面层(3)。

4.根据权利要求1所述的应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，其特征在于，每一节段(1)中，两块侧板(2)中的其中一块的竖边(2A)顶端与另一块的竖边(2A)底端通过斜撑(4C)相连。

5.根据权利要求1所述的应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，其特征在于，所述面层(3)为表面覆膜压合而成的KT板面层。

6.根据权利要求3或4所述的应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，其特征在于，多根所述上横撑(4B)的端点均匀分布在两块侧板(2)的曲边(2C)上。

7.根据权利要求1所述的应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，其特征在于，所述侧板(2)由1～2cm厚的高密度三合板制成。

8.根据权利要求1所述的应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，其特征在于，所述侧板(2)的底边(2B)上安装有万向轮(5)。

9.根据权利要求1-5之一所述的应用于地形模型风场特性风洞试验的三维渐变式边界过渡装置，其特征在于，每一节段的两块侧板(2)之间的距离小于整个地形模型周长的2.5％。