CN105675247B - 一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，包括，支座和顶部部件，支座和顶部部件分别通过旋转轴垂直连接，其中，旋转轴上均匀设置三个弯曲的风扇叶片，风扇叶片的顶部与顶部部件连接，风扇叶片的顶部和支座留有间隙，在支座内部，设置一个夹子，用来控制风扇叶片旋转的转速，夹子与旋紧盘连接，用一个带有刻度的旋紧盘来衡量夹子夹的有多紧。以及使用方法，包括，当夹子夹紧时，转轴受到较大摩擦力，使的风扇叶片旋转速度变慢；当夹子松开时，转轴不受摩擦力，风扇叶片可以自由转动，从而，准确测定湍流度。

Description

一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元及使用方法
技术领域
本发明属于风工程领域，特别涉及一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元及使用方法。
背景技术
风洞试验是风工程领域中的主要研究手段，用大气边界层风洞的模拟实验手段不仅可以进行大气湍流边界层、湍流扩散、尾迹及物体受风阻力、动力响应等理论方面的研究，而且可以进行大量的应用研究。
目前，大气边界层的风洞模拟对于建筑物的风荷载，大气污染质扩散以及一些环境科学甚至军事项目等的研究具有极为重要的意义，其模拟方法也备受学者们的关注。在已有的模拟方法中，可将其大致分为主动模拟方法和被动模拟方法两种类型。被动模拟方法的原理是利用特定装置对风场进行不同程度的堵塞而使风场风速出现剪切层，并将少量动能转化为湍流的脉动能，从而实现对大气边界层的模拟。在被动模拟方法中，最常采用的方法是旋涡发生器、挡板和粗糙元的组合。粗糙元主要运用于风洞实验中近地面上如草地、树木、建筑物等，可以影响近地面风的湍流强度。
粗糙元的作用是阻塞空气流动，并因其边界或表面的边界层分离而构成了湍流涡发生器，由于粗糙元的尺度较小，所以它的作用局限在一定的高度之内，但是由于实际的大气边界层就是底部风速梯度大，底部湍流度大，而且由于模型的尺寸受到风洞阻塞率的限制而不可能比例很大，所以风洞中底部风场的效果更为重要，粗糙元的作用不容小觑。一般情况下，粗糙元的大小为100×100×100mm的立方体，有序的排列在试验段前方。
CN101377447A公开了一种旋出式风洞可变粗糙元装置，其包括：多个粗糙元、开孔平板、下平板(或框架)和铰链四个主要部件。其特征是：粗糙元形状为四分之一圆柱段，该粗糙元的一个直边铰接在开孔平板上，另一个直边铰接在置于开孔平板之下与之平行的下平板(或框架)上；开孔平板与风洞底板平齐固定安装，下平板(或框架)向一个方向移动就使粗糙元从开孔板的上表面旋出，通过改变下平板的移动量来改变粗糙元的旋出量，从而改变整个开孔板的粗糙度，在风洞中可形成各类模拟大气边界层的近地面气流。该装置可以简单快速地实现粗糙元高度的无级调节。
CN204882029U公开了一种大比例和高湍流的风场布置结构。它包括在洞体地面横向间隔均匀布置的数个竖向尖劈；在尖劈的底部固连有一块锯齿挡板，在尖劈的中上部固连有另一块横向挡板；在尖劈与风洞试验段的转盘之间设有数排粗糙元，粗糙元为三种不同大小的正方体，根据试验要求进行大小、稀密不同的粗糙元布置变换；在转盘中心垂直上方设置有三维脉动风速仪，三维脉动风速仪固定在升降仪的横杆上，三维脉动风速仪的探头离地10cm，正对来流方向，升降仪布置在洞体的一侧边上；所述三维脉动风速仪与数据采集系统连接。
已有技术普遍存在以下问题：1、粗糙元对近地面风的湍流强度影响不大。2、粗糙元的大小、间距的改变对湍流强度的影响不大，不够敏感。3、粗糙元模拟的底部湍流强度与实际情况下的有一定差距。
发明内容
鉴于现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元及使用方法，将粗糙元做成类似风扇的形式，可以转动。将其固定在特制的支座上，通过风扇杆与支座的构造，保证其只能沿指定的方向转动，相邻两排粗糙元的转动方向相反。这样一来，既可以起到粗糙元的作用，又可以切割来流风，增加风的紊乱程度，从而增大近地面湍流强度。
具体地，本发明通过以下技术方案实现：
一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，包括，支座和顶部部件，支座和顶部部件分别通过旋转轴垂直连接，其中，旋转轴上均匀设置三个弯曲的风扇叶片，风扇叶片的顶部与顶部部件连接，风扇叶片的顶部和支座留有间隙，在支座内部，设置一个夹子，夹子与旋转轴连接，用来控制风扇叶片旋转的转速，夹子与旋紧盘连接，用一个带有刻度的旋紧盘来衡量夹子夹的有多紧。
其中，优选粗糙元高度和风扇叶片的高度比例优选为10：7。
更为具体优选粗糙元高100mm，其中三个弯曲的风扇叶片的高度为70mm，底部支座厚度为20mm，叶片与支座的间隙为10mm。
上述优选方案中，进一步优选叶片边缘离旋转轴为40mm，旋转轴直径为20mm；支座为一个直径为100mm的圆柱体，顶部部件为一个直径为100mm，厚度为5mm的圆形盖板。
上部风扇叶片的作用是旋转切割来流风，增大风的紊乱程度；盖板的作用是为了防止风速过大产生的向上气流破坏风剖面。
上部旋转轴及风扇叶片的材料为轻质的PVC材料；下部支座为木质或者金属材料，具有一定质量使其可以固定在地面上。
本发明的另一目的在于提供一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元的使用方法，包括，当夹子夹紧时，转轴受到较大摩擦力，使的风扇叶片旋转速度变慢；当夹子松开时，转轴不受摩擦力，风扇叶片可以自由转动。
被测点优选位于建筑物的下部，距地面100mm，通过被测点的湍流度控制夹子夹紧或者松开。
为了得到测点的湍流强度，我们可以通过改变旋紧盘上的刻度(即旋转轴受到的摩擦力)大小来实现。可以事先通过实验和计算得出每个刻度所对应的测点湍流强度，如下表格所示：
表1实验参考数据
旋紧盘刻度 旋转轴转速 测点风速 测点湍流强度
0 12r/s 4m/s 20％
1 11r/s 3.7m/s 19％
2 10r/s 3.5m/s 18％
.... .... .... ....
9 3r/s 2.6m/s 11％
10 2r/s 2.4m/s 10％
上部风扇叶片的作用是旋转切割来流风，增大风的紊乱程度；盖板的作用是为了防止风速过大产生的向上气流破坏风剖面。上部旋转轴及风扇的材料为轻质的PVC材料；下部支座为木质材料，具有一定质量使其可以固定在地面上。夹子的材料为摩擦系数稳定的材料，其不会因使用过久而导致摩擦系数变小，如硅橡胶的材料。
本发明相对于现有技术的有益效果，包括：
1、可以限制风扇的旋转方向，并使相邻两组的粗糙元的旋转方向相反；
2、粗糙元的定向转动和叶片对来流风的切割，可以增加来流下部湍流强度；
3、可以通过调节风扇的转速，得到不同程度的下部湍流强度。
附图说明
图1粗糙元正视图
图2风扇叶片构造示意图
图3支座示意图
图4支座内部示意图
图5支座内部‘夹子’结构
图6粗糙元排列上视图
图7粗糙元排列立体图
图8粗糙元和建筑物排列示意图，其中被测点在建筑物的下部，主要有风速传感器和湍流度传感器
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1、2、3、4和5所示，一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，包括，支座和顶部部件，支座和顶部部件分别通过旋转轴垂直连接，其中，旋转轴上均匀设置三个弯曲的风扇叶片，风扇叶片的顶部与顶部部件连接，风扇叶片的顶部和支座留有间隙，在支座内部，设置一个夹子，夹子与旋转轴连接，用来控制风扇叶片旋转的转速，夹子与旋紧盘连接，用一个带有刻度的旋紧盘来衡量夹子夹的有多紧。
粗糙元高100mm，其中三个弯曲的风扇叶片的高度为70mm，底部支座厚度为20mm，叶片与支座的间隙为10mm。
上述优选方案中，进一步优选叶片边缘离旋转轴为40mm，旋转轴直径为20mm；支座为一个直径为100mm的圆柱体，顶部部件为一个直径为100mm，厚度为5mm的圆形盖板。
实施例2
如图6、7和8所示，其中，实施例1的一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元依次排列。
实施例3
如图6、7和8所示，其中，实施例1的一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元依次排列，位于建筑物下部。
被测点位于图8右侧建筑物的下部，距地面100mm，通过被测点的湍流度控制夹子夹紧或者松开。
为了得到测点的湍流强度，我们可以通过改变旋紧盘上的刻度(即旋转轴受到的摩擦力)大小来实现。可以事先通过实验和计算得出每个刻度所对应的测点湍流强度，如下表格所示：
表1实验参考数据
旋紧盘刻度 旋转轴转速 测点风速 测点湍流强度
0 12r/s 4m/s 20％
1 11r/s 3.7m/s 19％
2 10r/s 3.5m/s 18％
.... .... .... ....
9 3r/s 2.6m/s 11％
10 2r/s 2.4m/s 10％
当夹子夹紧时，转轴受到较大摩擦力，使的风扇叶片旋转速度变慢；当夹子松开时，转轴不受摩擦力，风扇叶片可以自由转动。
总结：可以通过前述主动型旋转粗糙元调节风扇的转速，得到不同程度的建筑物下部湍流强度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细的说明，但是不表示本发明的具体实施是局限于这些说明。对于本发明所属拘束领的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或是替换，都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，其特征在于，包括，支座和顶部部件，支座和顶部部件分别通过旋转轴垂直连接，其中，旋转轴上均匀设置三个弯曲的风扇叶片，风扇叶片的顶部与顶部部件连接，风扇叶片的顶部和支座留有间隙，在支座内部，设置一个夹子，用来控制风扇叶片旋转的转速，夹子与旋紧盘连接，用一个带有刻度的旋紧盘来衡量夹子夹的有多紧。
2.根据权利要求1所述的一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，其特征在于，粗糙元高度和风扇叶片的高度比例为10：7。
3.根据权利要求1所述的一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，其特征在于，粗糙元高100mm，其中三个弯曲的风扇叶片的高度为70mm，底部支座厚度为20mm，叶片与支座的间隙为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，其特征在于，叶片边缘离旋转轴边缘为40mm，旋转轴直径为20mm。
5.根据权利要求1所述的一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，其特征在于，支座为一个直径为100mm的圆柱体。
6.根据权利要求1所述的一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，其特征在于，顶部部件为一个直径为100mm，厚度为5mm的圆形盖板。
7.根据权利要求1所述的一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元，其特征在于，上部旋转轴及风扇叶片的材料为轻质的PVC材料；下部支座为木质或金属材料。
8.一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元的使用方法，其特征在于，使用权利要求1—7任一权利要求所述的粗糙元，包括，当夹子夹紧时，转轴受到较大摩擦力，使的风扇叶片旋转速度变慢；当夹子松开时，转轴不受摩擦力，风扇叶片可以自由转动。
9.根据权利要求8所述的方法一种实现湍流度量化控制的被动型旋转粗糙元的使用方法，其特征在于，被测点位于建筑物的下部，距地面100mm，通过被测点的湍流度控制夹子夹紧或者松开。
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