CN105841913A - 一种基于智能互动平台的风洞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于智能互动平台的风洞，包括风洞本体和测量系统，所述风洞本体为直流式，由稳定段、收缩段、试验段、扩散段以及风机段依次连接组成；所述测量系统包括电子传感器、Arduino板、转接板和传输数据面包线，转接板将每个电子传感器的正极、负极和时钟信号连接至Arduino板的相应端口，跨接线将电子传感器的顺序端口依次连接至Arduino板相应的模拟输入端口，Arduino板连接计算机的USB接口，实现数据的传输；电子传感器与被测模型内表面固定层相连接，数据传输面包线与转接板相连。本发明有助于建筑师理解复杂的城市风环境现象及其对建筑性能的影响，在设计初期阶段及早发现和解决设计问题，对设计提升建筑性能和能源效率具有指导性意义。

Description

一种基于智能互动平台的风洞

技术领域

本发明主要涉及风环境模拟领域，具体是一种基于智能互动平台的风洞。

背景技术

理解高密度城市环境中的空气流动现象对建筑和城市设计而言是至关重要的，风在城市中的流动与扩散决定了环境的空气质量、建筑物风压、城市热岛效应以及行人舒适度。现有的研究建筑风环境的方法基本可以分为两类：风洞实验及数值模拟，两种方法各有利弊。其中，风洞实验能够真实地模拟城市语境下的风环境现象，准确而有效地测量出相关数据。但是，传统工业级风洞的造价及运营成本过于昂贵且需要专业人员协助进行操作，因此风洞实验并不能在建筑设计领域普及。

目前，针对空气动力性能的风洞实验通常在设计中后期——即总体几何形态已经初步确定的阶段进行。在此背景下，风洞实验多数由专门的技术人员操作，用于评估已有设计，验证已成型的建筑方案的可行性。但是，很多重要的影响建筑性能的设计决策都来自于设计初期阶段。同时，风对于建筑的作用力，也很大程度上取决于建筑的基本形态与布局。因此在建筑设计初期阶段，分析城市风环境显得尤为重要，建筑师需要测试并验证多种可能的设计选择，并得到设计方案实时反馈的性能数据。

综上所述，研发一种成本低、可达性强，适用于建筑设计初期阶段，能够直观且定性地模拟风对建筑群分布及建筑形态的影响的风洞极有必要。

发明内容

本发明提供了一种基于智能互动平台的风洞，通过较低的成本搭建操作简单、成本可控、流场稳定、测量精度满足建筑初期设计需求的物理风洞，以便进行建筑风环境模拟、数据测量以及性能反馈。

本发明所提供的一种基于智能互动平台的风洞，包括风洞本体和测量系统，其中：

所述风洞本体为直流式，由稳定段、收缩段、试验段、扩散段以及风机段依次连接组成；稳定段由第一腔壁和嵌于第一腔壁内的整流装置构成；收缩段由第二腔壁构成；试验段由第三腔壁、观察门装置、圆盘装置、照明灯管、泡沫粗糙元和被测模型构成，所述圆盘装置位于第三腔壁底部，被测模型放置于圆盘装置之上，观察门装置位于第三腔壁侧，照明灯管位于第三腔壁顶部转角处，泡沫粗糙元位于被测模型上风段第三腔壁内壁底部；扩散段由第四腔壁、风扇开关装置以及电子调速器构成；风机段由第五腔壁和风机装置构成；所述测量系统包括电子传感器、Arduino板、转接板和传输数据面包线，转接板将每个电子传感器的正极、负极和时钟信号连接至Arduino板的相应端口，跨接线将电子传感器的顺序端口依次连接至Arduino板相应的模拟输入端口，Arduino板连接计算机的USB接口，实现数据的传输；电子传感器通过螺丝与被测模型内表面留有螺丝孔的固定层相连接，数据传输面包线依次连接相应的电子传感器的排针端口，穿过被测模型与圆盘装置预留的走线孔洞，在试验段下方与转接板相连。

本发明中，转接板设有三纵列，每一纵列有二十四排，每一单排有5个插口，其中4个分别代表正极、负极、时钟信号和序列信号，第5个插口则由跨接线依次连接至Arduino板的模拟输入端，实现从电子传感器到板的数据传输。

本发明中，第一腔壁由铝合金结构框架和铝合金侧壁连接而成。

本发明中，整流装置由十字型固定框架和金属丝网连接而成，金属丝网采用三层纱网组合，金属丝网张紧后由固定框架从两侧压紧固定。

本发明中，第二腔壁由铝合金结构框架和木质侧壁连接而成，木质侧壁由若干块复合木板贴合而成，收缩段整体呈缩放式喇叭形，复合木板间接缝通过硅胶内侧密封，使得第二腔壁的内壁光滑。

本发明中，第三腔壁由铝合金结构框架及玻璃观察侧壁连接而成，玻璃观察侧壁的内壁切角延续至收缩段内壁切角，以减少洞壁对于气流的干扰；所述玻璃观察侧壁依据分段结构贴合于铝合金结构框架上，转角处以角铝和螺栓相互连接。

本发明中，第四腔壁由铝合金结构框架和铝合金侧壁连接而成。

本发明中，第五腔壁由铝合金结构框架和铝合金侧壁连接而成。

本发明中，风机装置由个相同的轴流风机和风扇整流装置组成，风扇开关装置可以开启轴流风机，所述轴流风机从风洞内吸风，电子调速器控制电机的转速，风扇整流装置由泡沫填充物构成，包裹于轴流风机外，充当轴流风机的固定支架，减缓其震动。风扇整流装置分前后两段，每段将风扇截面和腔壁内侧截面光滑连接，保证风机段内侧腔壁为光滑流线曲面。

本发明的有益效果在于：本发明有助于建筑师理解复杂的城市风环境现象及其对建筑性能的影响，在设计初期阶段及早发现和解决设计问题，对设计提升建筑性能和能源效率具有指导性意义。本发明借助电子传感器、开源电子原型平台及建筑软件，实现物理数据的收集与即时传导，完成与建筑设计模块的无缝对接，将基于真实环境模拟的测量数据直接反馈到建筑生形过程中，节省大量数据转化时间；本发明发展出系统化的性能研究方法，在对设计可能性进行迭代优化及比较的前提下推动建筑形式的生成；相比现有大型工业风洞，本发明在满足建筑生形实验所需精度的前提下，具有构造明晰、能耗低、造价低、运行维护费用低、可达性强等优点，作为极为有效的设计生成工具，对建筑空气动力学领域的建筑师和研究者尤其适用。

附图说明

图1为本发明的轴侧图。

图2为稳定段的轴测图。

图3为收缩段的轴测图。

图4为实验段的轴测图。

图5为扩散段的轴测图。

图6为风机段的轴测图。

图7为本发明的测量模式示意图。

图8为本发明的工作流程。

图中标号：1为稳定段；2为收缩段；3为试验段；4为扩散段；5为风机段；6为第一腔壁；7为整流装置；8为铝合金结构框架；9为铝合金侧壁；10为整流装置的固定框架；11为整流装置的金属丝网；12为第二腔壁；13为木质侧壁；14为第三腔壁；15为观察门装置；16为圆盘装置；17为照明灯管；18为泡沫粗糙元；19为被测模型；20为玻璃观察侧壁；21为玻璃观察侧壁内壁切角；22为第四腔壁；23为风扇开关装置；24为电子调速器；25为第五腔壁；26为风机装置；27为轴流风机；28为风扇整流装置；29为电子传感器；30为模拟测量装置的数据传输面包线；31为转接板；32为Arduino板；33为跨接线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细阐述。

实施例１：参照图1，本实施例提供一种由稳定段1、收缩段2、试验段3、扩散段4以及风机段5五个部分依次连接组成，基于智能互动平台测量实验数据的物理风洞。

参照图2，稳定段1由第一腔壁6和内嵌于第一腔壁6内的整流装置7构成。第一腔壁6由铝合金结构框架8和铝合金侧壁9构成。在综合气流均匀性、稳定性和气流能量指标的前提下，整流装置7采用了三层纱网组合，以减少风扇产生的涡流。整流装置7由十字型固定框架10和金属丝网11构成，金属丝网11张紧后由固定框架10从两侧压紧固定。稳定段进风口为矩形截面，截面尺寸为2160mm×1700mm。

参照图3，收缩段2由第二腔壁12构成，第二腔壁12由铝合金结构框架8和木质侧壁13构成。木质侧壁13由多块复合木板贴合而成，整体呈缩放式喇叭形，木板间接缝通过硅胶内侧密封，使得内壁光滑。收缩段2进口截面面积为3.584m²，约合直径1900mm，收缩段2长度采用进口直径0.6倍，取1100mm，从而减少气流在洞口产生分离，减少能量损失。

参照图4，试验段3由第三腔壁14、观察门装置15、圆盘装置16、照明灯管17、泡沫粗糙元18和被测模型19构成。其中，第三腔壁14由铝合金结构框架8及玻璃观察侧壁20构成。玻璃观察侧壁20的内壁切角21延续至收缩段2内壁切角，以减少洞壁对于气流的干扰；所述玻璃观察侧壁20依据分段结构贴合于铝合金结构框架8上，转角处以角铝和螺栓相互连接；观察门装置15由门板、支撑杆、锁扣构成，将矩形玻璃门板边缘打孔，通过合页，与上方玻璃一边相连，在矩形玻璃门板另一边缘安装把手，且用有机玻璃胶贴上磁条，保证门在关闭时不至被风洞内部气流扰动；圆盘装置16包含刻度托盘、转盘及操作手柄，可以调节至指定旋转角度；照明灯管17由灯管支架固定，提供风洞使用和布置阶段的照明；泡沫粗糙元18为5cm×3.6cm×3.8cm的泡沫块，间隔22cm排列，粘贴于被测模型的上风区——第三腔壁14的底部，用以模拟城市粗糙度；被测模型19由三维打印机打印，预留有布置传感器装置的孔洞。试验段选择易于安装开启门、便于观察的矩形截面，截面尺寸为1800mm×1200mm。试验段长度为8200mm，折合试验段直径的5.5倍。

参照图5，扩散段4由第四腔壁22以及安装于第四腔壁22上的风扇开关装置23及电子调速器24构成。其中，第四腔壁22由铝合金结构框架8和铝合金侧壁9构成；开关装置23、电子调速器24将在风机段5中详细阐述。进口截面尺寸为1800mm×1200mm，出口截面尺寸为 2400mm×1600mm，长度为780mm。

参照图6，风机段5由第五腔壁25和风机装置26构成。其中，第五腔壁25由铝合金结构框架8、铝合金侧壁8构成；风机装置26由6个相同的轴流风机27及其风扇整流装置28构成。电机以220V电源供电，风扇开关装置23可以开启轴流风机27，所述轴流风机27从风洞内吸风，电子调速器24控制电机的转速，电机带动桨叶旋转产生一定速度的气流，可达的风速范围为0m/s-10m/s。风扇整流装置28充当轴流风机27的固定支架，由泡沫填充物构成，填充物包裹轴流风机27，减缓其震动。风扇整流装置28分前后两段，每段将风扇截面和腔壁内侧截面光滑连接，保证风机段内侧腔壁为光滑流线曲面。

参照图7，风环境数据测量系统由Arduino板24、电子传感器21、数据传输面包线22、转接板23、跨接线25等电子元件组成，用以实现对建筑物表面风压的测量。Arduino系统易学易用，且能够与建模软件Rhino的插件Grasshopper实现良好的对接，从而进一步对测量数据进行深入处理。其中，Arduino板24为Mega 2560型号，该型号具有较多的模拟输入端口，可以同时采集多组传感器的数据。电子传感器21为博世出产的压力传感器BMP180，用以测量特定工况下特定位置的压力数值。电子传感器21上焊接单排针，使得面包线22可以将压力传感器连接至转接板23上，转接板23将各电子传感器21的正极、负极和时钟信号统一连接至Arduino板24的相应端口，跨接线25将电子传感器的顺序端口依次连接至Arduino板24的模拟输入端口，Arduino板24最终连接计算机USB接口实现数据的传输。

参照图8，本发明可以用于进行建筑设计初期阶段的方案生成、模拟与优化。具体流程详细说明如下：

在完成物理风洞的搭建后，本发明的工作原理如下：首先，获取建筑所在地区的气象数据，包括风向、风速、风频等作为实验条件。然后，根据恰当的几何缩尺比，确定用于风洞实验的建筑模型的区域范围及比例，通过三维打印机将被测模型19打印成型。需注意的是，被测模型19表面应根据设计需求预留尺寸为13mm×10mm的孔洞，用以安装电子传感器。该模型打印为空心模型，仅外墙部分为内设支撑的结构，空心部分供连接电子传感器29的数据传输面包线30穿过。为方便后续电子传感器29的安装，可将模型纵向剖切，打印成可以相互插接的两个部分，在布置传感器时分为两个部分，方便操作；在传感器布置完成后，相互插接，合为一个整体。

将被测模型19置入试验段3的圆盘装置16之上，操纵手柄调整圆盘装置16旋转角度至模拟工况下的风向角。在模型表面布置电子29传感器，连接线路。电子传感器29通过平头螺丝和螺母与被测模型内表面的留有螺丝孔的固定层相连接。四股数据传输面包线30依次连接电子传感器29的四个排针端口，穿过被测模型与圆盘装置预留的走线孔洞，在试验段3下方与转接板31相连。其中，转接板为自主焊制，三纵列，每一纵列有二十四排。每一单排有5个插口，其中4个分别代表正极、负极、时钟信号和序列信号，第5个插口则由跨接线33依次连接至Arduino板32的模拟输入端，实现从电子传感器29到Arduino板的数据传输。完成转接板与传感器的连接后，跨接线并联起转接板中的正极、负极和时钟信号，统一连接至Arduino板的正负极和时钟端口。每块Arduino Mega2560板一次可以实现66个传感器的数据读取。若需要读取更多的电子传感器读数，可增加配套数量，通过USB扩展器连接至电脑端口。随即，启动电脑中Rhino软件的Grasshopper插件，打开应用Firefly插件编写完成的数据可视化程序，该程序实现对Arduino读数的同步提取。

电子传感器29布置完毕后，检查风洞各段腔壁的气密性，关闭观察门装置15，将锁扣锁紧。打开电源开关23和照明灯管17，将试验段内的照明灯管点亮，轴流风机27开始转动，调节电子调速器24至模拟工况下的风速值，等待一段时间，气流将会从稳定段1入口进入，撞击电子传感器29表面。同时，Grasshopper程序中将会出现持续小幅变化的压力数据，待压力数据变化幅度满足程序预设范围，则保存该组数据用于后处理。

通过Grasshopper程序对测得的数据进行可视化分析，同时，根据设计设定的性能目标判定所测建筑是否满足性能指标。若不满足，优化数据不理想的位置的建筑形态，生成优化方案，再次打印，布置电子传感器29，进行新一轮实验。直至所测数据满足所需性能目标，实现建筑形态生成与优化的设计意图。

本发明专利适用于建筑学对建筑设计初期阶段方案的模拟测试。上文结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明不局限于上述的具体实施方式。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以对很多风数据进行测量和操作，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于智能互动平台的风洞，包括风洞本体和测量系统，其特征在于：

所述风洞本体为直流式，由稳定段、收缩段、试验段、扩散段以及风机段依次连接组成；稳定段由第一腔壁和嵌于第一腔壁内的整流装置构成；收缩段由第二腔壁构成；试验段由第三腔壁、观察门装置、圆盘装置、照明灯管、泡沫粗糙元和被测模型构成，所述圆盘装置位于第三腔壁底部，被测模型放置于圆盘装置之上，观察门装置位于第三腔壁侧，照明灯管位于第三腔壁顶部转角处，泡沫粗糙元位于被测模型上风段第三腔壁内壁底部；扩散段由第四腔壁、风扇开关装置以及电子调速器构成；风机段由第五腔壁和风机装置构成；所述测量系统包括电子传感器、Arduino板、转接板和传输数据面包线，转接板将每个电子传感器的正极、负极和时钟信号连接至Arduino板的相应端口，跨接线将电子传感器的顺序端口依次连接至Arduino板相应的模拟输入端口，Arduino板连接计算机的USB接口，实现数据的传输；电子传感器通过螺丝与被测模型内表面留有螺丝孔的固定层相连接，数据传输面包线依次连接相应的电子传感器的排针端口，穿过被测模型与圆盘装置预留的走线孔洞，在试验段下方与转接板相连。

2.根据权利要求１所述的一种基于智能互动平台的风洞，其特征在于：转接板设有三纵列，每一纵列有二十四排，每一单排有5个插口，其中4个分别代表正极、负极、时钟信号和序列信号，第5个插口则由跨接线依次连接至Arduino板的模拟输入端，实现从电子传感器到板的数据传输。

3.根据权利要求１所述的一种基于智能互动平台的风洞，其特征在于：第一腔壁由铝合金结构框架和铝合金侧壁连接而成。

4.根据权利要求１所述的一种基于智能互动平台的风洞，其特征在于：整流装置由十字型固定框架和金属丝网连接而成，金属丝网采用三层纱网组合，金属丝网张紧后由固定框架从两侧压紧固定。

5.根据权利要求１所述的一种基于智能互动平台的风洞，其特征在于：第二腔壁由铝合金结构框架和木质侧壁连接而成，木质侧壁由若干块复合木板贴合而成，收缩段整体呈缩放式喇叭形，复合木板间接缝通过硅胶内侧密封，使得第二腔壁的内壁光滑。

6.根据权利要求１所述的一种基于智能互动平台的风洞，其特征在于：第三腔壁由铝合金结构框架及玻璃观察侧壁连接而成，玻璃观察侧壁的内壁切角延续至收缩段内壁切角，以减少洞壁对于气流的干扰；所述玻璃观察侧壁依据分段结构贴合于铝合金结构框架上，转角处以角铝和螺栓相互连接。

7.根据权利要求１所述的一种基于智能互动平台的风洞，其特征在于：第四腔壁由铝合金结构框架和铝合金侧壁连接而成。

8.根据权利要求１所述的一种基于智能互动平台的风洞，其特征在于：第五腔壁由铝合金结构框架和铝合金侧壁连接而成。

9.根据权利要求１所述的一种基于智能互动平台的风洞，其特征在于：风机装置由个相同的轴流风机和风扇整流装置组成，风扇开关装置可以开启轴流风机，所述轴流风机从风洞内吸风，电子调速器控制电机的转速，风扇整流装置由泡沫填充物构成，包裹于轴流风机外，充当轴流风机的固定支架，减缓其震动；风扇整流装置分前后两段，每段将风扇截面和腔壁内侧截面光滑连接，保证风机段内侧腔壁为光滑流线曲面。