CN105387991A - 一种风洞紊流场模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种风洞紊流场模拟方法，在风洞进气口布置阵列排列的变频调速风扇阵列，在风洞风场上游处布置振动翼栅装置；通过变频调速风扇阵列形成顺风向或水平向的随机脉动风速场，通过振动翼栅装置形成横风向或竖向的随机脉动风速场；形成同时在顺风向和横风向或水平向和竖向双向组合的随机脉动的紊流场，实现实际结构所处风环境的有效模拟。还公开了一种实现所述方法的模拟装置，包括进气口、变频调速风扇阵列以及振动翼栅装置；变频调速风扇阵列设置于风洞进气口，振动翼栅装置设置于风洞风场上游处。本发明模拟的紊流场环境能达到与实际结构所处风环境更高的紊流相似度，解决以往单翼栅或单风扇阵列模拟单向紊流场的不足，并且简单有效、经济性好。
Description
技术领域
本发明属于建筑和桥梁结构风工程研究技术领域，涉及高耸结构、大跨桥梁和大跨空间结构的风洞紊流场模拟，在物理风洞内模拟同时在顺风向和横风向或水平向和竖向产生随机脉动的紊流风场。
背景技术
目前，高耸结构、大跨柔性桥梁结构和大跨空间结构在设计阶段需要完成高耸结构模型、大跨空间结构模型或大跨桥梁节段模型及全桥气弹模型在物理风洞条件下的测力和测振试验，用于指导结构抗风设计。研究过程中，风洞风场的模拟多采用利用粗糙元、尖塔等形成所需紊流场的被动模拟方法或使用振动翼栅、变频调速风扇阵列等装置的主动模拟方法。但前者对紊流的模拟达不到实验风场与大气边界层风场的紊流相似性；后者虽能产生实验所需的较高紊流度，但仅能模拟在单方向产生随机脉动的紊流场，简化了实际结构所处的多向紊流场特征，导致实验风场与实际高耸结构、大跨度桥梁与空间结构所处紊流场差异较大，依据这样的试验结果对结构设计进行指导将导致设计的结构偏于危险或经济上的浪费。针对现有技术中存在的上述问题，客观上需要研发新的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种翼栅与风扇阵列组合主动来流模拟的方法及装置，将振动翼栅和变频调速风扇阵列结合起来，利用变频调速风扇阵列产生顺风向或水平向的紊流场，利用水平排列或竖直排列的振动翼栅阵列产生相应实验状况下所需的横风向或竖向的紊流场，解决了以往单翼栅或单风扇阵列仅能模拟单向紊流场的不足，使得实验室风洞模拟的风场更接近于实际高耸结构、大跨度桥梁或大跨空间结构所处的风场环境。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种翼栅与风扇阵列组合主动来流模拟方法，在风洞进气口布置阵列排列的变频调速风扇组，在风洞风场上游处布置振动翼栅阵列。通过变频调速风扇阵列形成顺风向或水平向的随机脉动风速场，顺风向或水平向风速的随机脉动由风扇阵列组的各个变频风扇主动控制。
通过振动翼栅装置形成横风向或竖向的随机脉动风速场。来流风经过振动中的翼栅，将额外产生垂直翼栅平板所在面的随机脉动，即横风向或竖向的风速脉动。其中，水平排列的振动翼栅阵列在水平方向上发生振动，使风速在水平方向上产生脉动；竖向排列的振动翼栅阵列在竖直方向上发生振动，使风速在竖直方向上产生脉动，水平或竖向排列的振动翼栅阵列的选择取决于试验所需模拟紊流场的方向，振动翼栅阵列产生的脉动风均垂直于风扇阵列产生的顺风向或水平向的脉动风。
通过变频调速风扇阵列和振动翼栅装置的组合形成同时在顺风向和横风向或水平向和竖向脉动的紊流场，从而实现实际结构所处风环境的有效模拟。
具体的，所述振动翼栅装置包括水平排列或竖向排列的振动翼栅阵列。
一种实现上述方法的翼栅与风扇阵列组合的主动来流模拟装置，包括变频调速风扇阵列以及水平排列的水平方向振动翼栅或竖向排列的竖直方向振动翼栅。所述变频调速风扇阵列设置于风洞进气口，在风洞风场上游处布置振动翼栅阵列。
所述主动来流模拟装置包括变频调速风扇阵列以及水平排列的水平方向振动翼栅或竖向排列的竖直方向振动翼栅。
由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是通过振动翼栅阵列和变频调速风扇阵列形成同时在顺风向和横风向或水平向和竖向脉动的紊流场，从而实现实际结构所处风环境的有效模拟，解决以往风场单向脉动模拟的不足。本发明简单有效，可以达到紊流场的双向脉动效果，具有较强的实用性。
附图说明
图1是本发明风洞紊流场模拟装置实施例三维效果图(采用竖向排列的竖直方向振动翼栅装置)。
图2是振动翼栅形成脉动的原理图。
图中：1进气口；2变频调速风扇阵列；3竖向排列的振动翼栅阵列；u1来流脉动风；u2尾流脉动风；u3振动翼栅产生的垂直翼栅平板所在面的脉动风；R(t)风扇振动角。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种风洞紊流场模拟方法，在风洞进气口布置阵列排列的变频调速风扇组，在风洞风场上游处布置振动翼栅装置。通过变频调速风扇阵列形成顺风向或水平向的随机脉动风速场，顺风向或水平向风速的随机脉动由风扇阵列组的各个变频风扇主动控制。
通过振动翼栅装置形成横风向或竖向的随机脉动风速场。来流风经过振动中的翼栅，将额外产生垂直翼栅平板所在面的随机脉动，即横风向或竖向的风速脉动。其中，水平排列的振动翼栅阵列使风速在水平方向上产生脉动，竖向排列的振动翼栅阵列使风速在竖直方向上产生脉动，振动翼栅阵列产生的脉动风均垂直于风扇阵列产生的顺风向或水平向的脉动风，水平或竖向排列的振动翼栅阵列的选择取决于试验所需模拟紊流场的方向。
通过变频调速风扇阵列和振动翼栅装置的组合形成同时在顺风向和横风向或水平向和竖向脉动的紊流场，从而实现实际结构所处风环境的有效模拟。
来流风经过振动中的翼栅，将额外产生垂直翼栅平板所在面的随机脉动，水平排列的振动翼栅阵列或竖向排列的振动翼栅阵列的选择取决于试验所需模拟紊流场的方向。
换言之，变频调速风扇阵列和水平排列的水平方向振动翼栅阵列组合产生顺风向和横风向或水平向和竖向双向组合的脉动风场，变频调速风扇阵列和竖向排列的竖直方向振动翼栅阵列组合产生水平向和竖向双向组合的脉动风场。
如图2所示，来流风u1经过垂直于来流风方向的翼栅振动R(t)产生顺来流风方向的尾流u2和垂直来流风方向的尾流u3。
在研究风的种类时，可将自然界的风分为良态风和异常风两类，异常风包括下击暴流、台风、龙卷风等，最早在物理风洞中实现模拟的风场属于自然界风中的良态风。随着科技的发展，研究人员对风的模拟不再局限于良态风，逐渐向异常风发展，期望通过对异常风的模拟尤其是异常风的脉动风速部分，得到异常风下结构响应的试验结果，用于结构的抗风设计指导。目前物理风洞通过调整模型与风向的相对角度或调整模型的固定位置与方向实现良态风和下击暴流的风场模拟，这两种情况下，紊流风速场模拟以单向为主，现有的物理风洞完全可以满足要求。而随着结构柔性逐渐增加，以致对风敏感性的增加，台风和龙卷风对结构的影响越来越大，但在该情况下，脉动风速以多向为主，以往的单向紊流场模拟与实际结构所处紊流场差异明显，采用传统模拟方法得到的试验结果与实际结构响应差异明显，故本发明的技术方案提出了在风洞中组合使用变频调速风扇阵列与振动翼栅阵列的方法，进行对实际结构所处风环境，即双向紊流风速场的模拟。
针对风洞实验室中试验模型固定于风洞底部底板的情况，变频调速风扇阵列产生顺风洞方向(通常对应于实际结构所处风环境的顺风向或水平向)的单向紊流。模拟实际风环境时所需的另一方向的紊流则由振动翼栅阵列提供。具体地说，对于高耸结构模型和大跨度空间结构模型的侧面，水平排列的水平方向振动翼栅阵列可以提供紊流度较高的横风向脉动风；对于桥梁节段模型、全桥气弹模型以及大跨度空间结构的顶面，竖向排列的竖直方向振动翼栅可以提供紊流度较高的竖向脉动风。通过双向紊流场的模拟实现结构模型在特殊风环境下的试验模拟，从而用于与实际情况的对比，并进一步用于柔性结构抗风设计的指导。
一种实现上述方法的风洞紊流场模拟装置，包括：进气口1、变频调速风扇阵列2、竖向排列的竖直方向振动翼栅3。
在风洞进气口1布置阵列排列的变频调速风扇组2，在风洞风场上游处布置竖向排列的振动翼栅装置3；具体位置根据风洞大小及及所需模拟的紊流场而定。
通过所述振动翼栅装置和变频调速风扇阵列形成同时在水平向和竖向脉动的紊流场，从而实现实际结构所处风环境的有效模拟。
具体的，所述振动翼栅装置包括水平排列或竖向排列的振动翼栅阵列。
效果上，水平排列的竖直振动翼栅阵列与水平排列的水平方向振动翼栅阵列相同。这种翼栅安放时本身是竖直的，但在水平方向上进行振动，形成阵列时也是水平排列。
以上仅说明采用竖向排列的竖直方向振动翼栅阵列的实施例，在采用水平排列的水平方向振动翼栅装置的实施例中，仅需将振动翼栅阵列换成竖向排列的竖直方向振动翼栅装置即可，此不赘述。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种风洞紊流场模拟方法，其特征在于：在风洞进气口布置阵列排列的变频调速风扇阵列，在风洞风场上游处布置振动翼栅装置；通过变频调速风扇阵列形成顺风向或水平向的随机脉动风速场，通过振动翼栅装置形成横风向或竖向的随机脉动风速场；通过变频调速风扇阵列和振动翼栅装置的组合，形成同时在顺风向和横风向或水平向和竖向双向组合的随机脉动的紊流场，从而实现实际结构所处风环境的有效模拟。
2.根据权利要求1所述的风洞紊流场模拟方法，其特征在于：顺风向或水平向风速的随机脉动由风扇阵列组的各个变频风扇主动控制。
3.根据权利要求1所述的风洞紊流场模拟方法，其特征在于：来流风经过振动中的翼栅，将额外产生垂直翼栅平板所在面的随机脉动，即横风向或竖向的风速脉动。
4.根据权利要求1所述的风洞紊流场模拟方法，其特征在于：依据试验所需模拟紊流场的方向选择采用水平排列的水平方向振动翼栅阵列或竖向排列的竖向振动翼栅阵列。
5.一种实现权利要求1至4中任一所述方法的模拟装置，其特征在于：包括进气口、变频调速风扇阵列以及振动翼栅装置；所述变频调速风扇阵列设置于风洞进气口，所述振动翼栅装置设置于风洞风场上游处。
6.根据权利要求5所述的模拟装置，其特征在于：所述振动翼栅装置包括水平排列的水平方向振动翼栅阵列或竖向排列的竖向振动翼栅阵列。
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