CN104655393B - 一种简易风场模拟系统 - Google Patents

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一种简易风场模拟系统，其属于结构动力模型试验技术领域。这种模拟系统把包含风机阵、支撑系统、升降系统、整流装置和调频装置的造风系统和包含主程序控制模块、风速标定模块和风谱参数设置模块的控制系统与风速时程模拟输出模块进行电连接。该模拟系统可以实现稳态风场和脉动风场的精确模拟输出，不仅具有足够的稳定性和模拟精度，还具有很好的可操作性。可以开展海洋工程结构风疲劳损伤模型试验、海上风机结构风荷载动力模型试验、海上风机叶片气动力特性研究。特别是与波流‑地震模拟系统相结合构成复杂环境荷载联合模拟系统后，可以开展固定式、浮式海洋工程结构在风、波浪、海流以及地震等环境荷载共同作用下的模型试验研究。

Description

一种简易风场模拟系统
技术领域
本发明涉及一种简易风场模拟系统，其属于结构动力模型试验技术领域。
背景技术
风荷载作为海洋工程结构（如海上平台、海上风机）、高耸建筑结构设计及运行中的控制荷载之一，备受研究人员关注。目前开展结构动力模型试验是进行重大工程结构安全评价的主要方法之一，而重大工程结构往往受多种环境荷载联合作用，包括风、波浪、海流、地震、海冰等等，需进行多环境荷载联合作用下的结构动力模型试验。
在多环境荷载联合作用中如何实现风荷载的模拟，一直以来都是重大工程结构动力模型试验所需解决的关键技术问题。
发明内容
为了在多环境荷载联合作用下的结构动力模型试验中实现风荷载的模拟，本发明提供一种简易风场模拟系统。该模拟系统不仅可以模拟稳态风场，还可以模拟依据不同风谱类型自动生成的脉动风场，并且实时对风场的风速和风向进行采样；同时采用计算机数控，保证输出的风场具有足够的精度，以满足试验要求。
本发明所采用的技术方案是：一种简易风场模拟系统，它包括一个造风系统和一个控制系统，它还包括一个风速时程模拟输出模块，包含风机阵、支撑系统、升降系统、整流装置和调频装置的造风系统和包含主程序控制模块、风速标定模块和风谱参数设置模块的控制系统与风速时程模拟输出模块进行电连接；
所述风机阵采用4台低噪声轴流风机以二排二列方式布置在高度为5m、跨度为7m的桁架结构的支撑系统上，支撑系统设有便于风机阵升降的升降系统，风机阵的有效覆盖面积为2.54m×2.54m；
所述升降系统把升降滑道固定在支撑系统上，位于风机阵上的升降滑体与升降滑道相配合，升降滑体在升降滑道上的移动距离为2.0m；
所述调频系统控制风机阵的风机叶片转速，包含整流罩和由平行管簇构成顺风管的整流装置设置在风机阵的出口处；
所述控制系统采用风速时程模拟输出模块来实现稳态风场和脉动风场的模拟输出，首先运用风速标定模块对风场输出风速进行标定，得到的风速-电流标定参数提供给主程序控制模块，主程序控制模块基于最小二乘法拟合得到风速-电流关系曲线，同时依据风谱参数设置模块提供的参数调整电流信号输出控制调频装置，进行稳态风场和脉动风场更为精确的模拟。
采用上述的技术方案，以二排二列的大功率风机阵作为强力风源，为解决风机阵的振动问题并保证风场的稳定输出，设计了具有足够质量和刚度的支撑系统以及用于平顺出流的整流装置，包括整流罩和顺风管。为了风场的灵活布置以满足不同模型试验的需求，在支撑系统上增加了升降系统，通过升降滑道将风机阵固定到支撑系统上，以电机来控制风阵的上下运动，以此来调节风场的作用范围。通过调频装置（频率调节范围为0-50Hz）来调节风机阵叶片的转速，实现不同风速值的输出。该简易风场模拟系统主要用于模拟稳态风场以及依据不同风谱类型生成的脉动风场。由于仅仅依靠调频装置很难保证模拟风场的输出精度，因此本发明基于Visual C++开发简易风场模拟控制系统，其主要包含三个模块，分别为主程序控制模块、风速标定模块、风谱参数设置模块。整套控制系统将实际风速转化为电流信号来进行模拟。同时读入风谱参数设置模块的有关参数，参考风速时程文件进行风速时程的模拟输出。
本发明的有益效果是：这种简易风场模拟系统包括造风系统、控制系统和风速时程模拟输出模块，包含风机阵、支撑系统、升降系统、整流装置和调频装置的造风系统和包含主程序控制模块、风速标定模块和风谱参数设置模块的控制系统与风速时程模拟输出模块进行电连接。该模拟系统可以实现稳态风场和脉动风场的精确模拟输出，控制系统是基于Visual C++开发，不仅具有足够的稳定性和模拟精度，还具有很好的可操作性。这对于重大工程结构的试验研究具有重要意义。通过该简易风场模拟系统可以开展海洋工程结构风疲劳损伤模型试验、海上风机结构风荷载动力模型试验、海上风机叶片气动力特性研究。特别是与波流-地震模拟系统相结合构成复杂环境荷载联合模拟系统后，可以开展固定式、浮式海洋工程结构在风、波浪、海流以及地震等环境荷载共同作用下的模型试验研究。
附图说明
图1是一种简易风场模拟系统的结构框图。
图2是造风系统的结构正视图。
图3是造风系统的结构侧视图。
图4是风机阵和整流装置示意图。
图5是图4中的A-A剖视图。
图6是风速-电流拟合关系曲线。
图中：1、风机阵，2、支撑系统，3、升降系统，3a、升降滑道，3b、升降滑体，4、整流罩，5、顺风管。
具体实施方式
下面结合附图对本套简易风场模拟系统作进一步的说明。
图1示出了一种简易风场模拟系统的结构框图。图中，这种简易风场模拟系统包括一个造风系统、控制系统和风速时程模拟输出模块，包含风机阵1、支撑系统2、升降系统3、整流装置和调频装置的造风系统和包含主程序控制模块、风速标定模块和风谱参数设置模块的控制系统与风速时程模拟输出模块进行电连接。
图2、3示出了造风系统的结构图。风机阵1采用4台低噪声轴流风机以二排二列方式布置在高度为5m、跨度为7m的桁架结构的支撑系统2上，支撑系统2设有便于风机阵1升降的升降系统3，升降系统3的最大调整幅度为2.0m，风机阵1的有效覆盖面积为2.54m×2.54m。二排二列的风机阵1作为强力风源，构成了该模拟系统的核心。
升降系统3把升降滑道3a固定在支撑系统2上，位于风机阵1上的升降滑体3b与升降滑道3a相配合，升降滑体3b在升降滑道3a上的移动距离为2.0m。
调频系统控制风机阵1的风机叶片转速，包含整流罩4和由平行管簇构成顺风管5的整流装置设置在风机阵1的出口处。
支撑系统必须具有足够大的质量和刚度来保证风机阵1在造风时具有足够的稳定性，从而保证模拟风场的质量。
图4、5示出了风机阵和整流装置的结构图。调频装置（频率调节范围为0-50Hz）受控制系统的控制，通过调节风机叶片的转速，达到控制风速的目的，从而实现不同风速值的输出。包含整流罩4和顺风管5的整流装置设置在风机阵1的出口处，为了保证模拟风场在出口处能够平顺出流，以确保模拟风场的精度。
该简易风场模拟系统可以参考某一具体的风速时程文件来进行风速时程的输出，因此该模拟系统的输出风速必须具有足够的精度。为了达到精度上的要求，基于Visual C++开发了简易风场模拟系统的控制系统。
该控制系统主要有主程序控制模块、风速标定模块和风谱参数设置模块组成。该控制系统通过电流信号对模拟系统输出的风速进行实时调节。该控制系统首先通过风速标定模块得到风速-电流的标定参数，主程序控制模块依据该标定参数采用最小二乘法拟合得到风速-电流关系曲线，同时调用风谱参数设置模块的相关风谱参数，来进行风速时程的模拟输出。控制系统首先根据风速文件的风速值，依据风速-电流关系曲线得到其所需的电流值，而后将该电流值作用于调频装置，以此来控制风机叶片的转速，实现对风速时程的模拟。图6示出了风速-电流拟合关系曲线，是一一对应的映射关系，因此该简易风场模拟系统具有足够的精度来进行试验风场的模拟输出。
上述的简易风场模拟系统的主要技术参数如下：
风机阵：二排二列方式布置的低噪声轴流风机，有效覆盖面积2.54m×2.54m；单个风机：进出口直径400mm，电机功率120W，电机转速1450r/min，额定风量3000m3/h。
支撑系统：桁架结构形式，高度5m，跨度7m；升降系统：最大升降幅度为2.0m，控制方式：电机控制。
整流装置：整流罩长度644mm，整流面积2.59m×2.59m，顺风管长度400mm，外直径40mm，布置面积2.54m×2.54m。
调频装置：三相供电电压380V-480V；工作频率范围0-50Hz；最大工作温度范围0-50℃；相对湿度小于95%。
输出风场类型：稳态风场、依据不同风谱生成的脉动风场；风速输出范围：0-7m/s；控制方式：计算机数控；风场模拟精度：正/负5%。

Claims (1)

1.一种简易风场模拟系统，它包括一个造风系统和一个控制系统，其特征是：包含风机阵（1）、支撑系统（2）、升降系统（3）、整流装置和调频装置的造风系统和包含主程序控制模块、风速标定模块和风谱参数设置模块的控制系统与其所特有的风速时程模拟输出模块进行电连接；
所述风机阵（1）采用4台低噪声轴流风机以二排二列方式布置在高度为5m、跨度为7m的桁架结构的支撑系统（2）上，支撑系统（2）设有便于风机阵（1）升降的升降系统（3），风机阵（1）的有效覆盖面积为2.54m×2.54m；
所述升降系统（3）把升降滑道（3a）固定在支撑系统（2）上，位于风机阵（1）上的升降滑体（3b）与升降滑道（3a）相配合，升降滑体（3b）在升降滑道（3a）上的移动距离为2.0m；
所述调频装置控制风机阵（1）的风机叶片转速，包含整流罩（4）和由平行管簇构成顺风管（5）的整流装置设置在风机阵（1）的出口处；
所述控制系统采用风速时程模拟输出模块来控制风速输出，模拟输出稳态风场和脉动风场，首先运用风速标定模块对风场输出风速进行标定，得到的风速-电流标定参数提供给主程序控制模块，主程序控制模块基于最小二乘法拟合得到风速-电流关系曲线，同时依据风谱参数设置模块提供的参数调整电流信号输出，控制调频装置，进行稳态风场和脉动风场更为精确的模拟。
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