CN105890865B - 一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统 - Google Patents

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    • G01M9/02—Wind tunnels
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Abstract

本发明提供了一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，包括可绕中心轴旋转的平板，平板将风洞分为若干层，其中，各层均匀放置相同形状的尖劈，从上到下分别放置的尖劈的面积及尺寸由大变小。具体实现思路为：利用隔板将风洞整体流场分割成若干“局部流场”，通过调整各层平板的旋转角度，平板的数量及各层平板末端尖劈的尺寸、间距、形状等，实现对“局部流场”的量化控制。在对“局部流场”进行量化控制时：平板旋转角度及尖劈形状、尺寸的改变主要用于调控边界层平均风剖面，使湍流强度随着高度的增加而减小，同时可以改善湍流强度随着高度衰减过快的缺点。最终，使各“局部流场”相互协调，获得实验所需的流场品质。

Description

一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统
技术领域
本发明属于应用于流体力学技术领域，特别涉及一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统。
背景技术:
在过去的三十年里，大气边界层风洞的模拟已经成为了研究风对建筑结构的作用力及建筑周围风环境等风工程问题的基本工具。由于风洞试验模拟出的来流风的品质高低直接决定了实验结果的正确与否，因而能否模拟出最接近于真实情况的大气边界层就变得至关重要。
当前国内外的学者对如何模拟出高品质的来流风做了大量的研究。目前主要有主动模拟和被动模拟两种方式。被动模拟主要由尖劈与粗糙元的组合装置来产生我们需要的流场。其中尖劈上窄下宽的结构形式形成近似线性递增的平均风速剖面，粗糙元可以用来调整由尖劈产生的平均风速剖面。尖劈的涡发生器作用机制产生了绝大部分的脉动风能量，并且由于尖劈上窄下宽的形式使得产生的流场下部的湍流强度较上部的大，符合实际的流场。主动模拟主要有振动翼栅、多风扇风洞等。
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、主动模拟控制技术复杂，价格昂贵，限制了它们的推广应用。
2、传统的被动模拟方法湍流积分尺度随着高度的增加而减小，与实际情况相反。
3、三角形尖劈模拟的湍流强度随着高度的增加衰减过快。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明提供了一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，包括可绕中心轴旋转的平板，平板将风洞分为若干层，优选三层以上，特别优选为三层，其中，各层均匀放置多个相同形状的尖劈，所述各层从上到下分别放置的尖劈的面积或尺寸由大变小。
通过可绕中心轴旋转的平板来调整每段高度的来流风量从而得到一个大体的线性变化的风速剖面(在产生这样一个下小上大的风速剖面时不会引起较大的能量损失)，在各层的平板上放置尖劈进一步调整平均风剖面。
其中，优选方案选择，平板可绕中心轴旋转的角度优选0度到10度，各层平板可绕中心轴旋转的角度相同或者不同。所述尖劈的形状优选包括三角形、梯形或异形等。
尖劈采用可拉伸弹性材料制作，优选直接固定在旋转平板各层的末端。其中，湍流强度及湍流积分尺度的调整，在每层平板上均可以放置尖劈，可以通过调整放置尖劈的截面宽度和数量来调整对应高度处的湍流强度及湍流积分尺度。
更为优选的方案是，所述尖劈为梯形，平板将风洞分为三层，第一层、第二层和第三层的梯形的斜角可根据高度需要调整，例如优选60-90度。
其中，优选所述梯形的尖劈，从上到下的所述三层平板分别放置尖劈的个数逐渐增多，例如优选优选为3，4和7个，可以更为准确的模拟测定湍流强度。
本发明提供了一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，包括可绕中心轴旋转的平板，平板将风洞分为若干层，其中，各层均匀放置相同形状的尖劈，从上到下分别放置的尖劈的面积及尺寸由大变小。其工作机理具体实现思路为：
利用隔板将风洞整体流场分割成若干“局部流场”，通过调整各层平板的旋转角度，平板的数量及各层平板末端尖劈的尺寸、间距、形状等，实现对“局部流场”的量化控制。
在对“局部流场”进行量化控制时：平板旋转角度及尖劈形状、尺寸的改变主要用于调控边界层平均风剖面，使其满足实验要求。每层尖劈间距的改变，主要用于调控湍流强度剖面，使湍流强度随着高度的增加而减小，同时可以改善湍流强度随着高度衰减过快的缺点。
最终采用合理设计，使各“局部流场”相互协调，获得实验所需的流场品质。
通过实验可建立尖劈间距与湍流强度之间的定量关系，通过调整尖劈间距实现试验流场湍流强度的改变。鉴于从而使得我们所得到的湍流强度剖面不至于随着高度的增加而衰减过快。
通过大量实验，可以得到不同场地类型流场所对应的尖劈粗糙元组合系统布置方案，如表1所示。根据该方案，在模拟特定类型风场(比如A类场地)时，通过简单调试即可获得高品质实验流场。
表1一种优选的尖劈粗糙元组合系统布置方案如下A-D：
本发明相对于现有技术的有益效果，包括：
1、本发明在获得理想的平均风剖面的同时，可以非常通过简单的调试获得高品质的来流风。
2、通过调整每层放置尖劈的数量(即尖劈之间的间距)使得产生的来流风湍流强度随着高度的增加而减小并且可以改善湍流强度随着高度衰减过快的缺点。
附图说明
图1，尖劈在可旋转平板上的放置示意图
图2，尖劈放置和建筑物位置示意图
图3，梯形尖劈的尺寸示意图
具体实施方式
下面结合优选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和2所示，一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，包括可绕中心轴旋转的平板，平板将风洞分为三层，其中，各层均匀放置相同形状的尖劈，所述三层从上到下分别放置的尖劈的面积或尺寸由大变小。
通过可绕中心轴旋转的平板来调整每段高度的来流风量从而得到一个大体的线性变化的风速剖面(在产生这样一个下小上大的风速剖面时不会引起较大的能量损失)，在每段高度的平板上放置尖劈进一步调整平均风剖面。
其中，优选方案选择，所述尖劈的形状为三角形。尖劈采用可拉伸弹性材料制作，优选直接固定在旋转平板各层的末端。
实施例2
如图1和2、3所示，一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，包括可绕中心轴旋转的平板，平板将风洞分为三层，其中，各层均匀放置相同形状的尖劈，所述三层从上到下分别放置的尖劈的面积或尺寸由大变小。
通过可绕中心轴旋转的平板来调整每段高度的来流风量从而得到一个大体的线性变化的风速剖面(在产生这样一个下小上大的风速剖面时不会引起较大的能量损失)，在每段高度的平板上放置尖劈进一步调整平均风剖面。
其中，优选方案选择，所述尖劈为梯形。尖劈采用可拉伸弹性材料制作，优选直接固定在旋转平板各层的末端。
如表1场地类别A方案，所述尖劈的梯形，从上到下的所述三层，第一层的梯形上边长*下边长＝250*500mm，斜角为60度；第二层的梯形上边长*下边长＝200*400mm，斜角为60度；第三层的梯形上边长*下边长＝150*300mm，斜角为60度。
其中，优选所述梯形的尖劈，从上到下的所述三层平板分别放置尖劈的个数优选为3，4和7个，可以更为准确的模拟测定湍流强度，可以更为准确的模拟湍流强度剖面和平均风剖面。
实施例3
如图1和2、3所示，一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，包括可绕中心轴旋转的平板，平板将风洞分为三层，其中，各层均匀放置相同形状的尖劈，所述三层从上到下分别放置的尖劈的面积或尺寸由大变小。
通过可绕中心轴旋转的平板来调整每段高度的来流风量从而得到一个大体的线性变化的风速剖面(在产生这样一个下小上大的风速剖面时不会引起较大的能量损失)，在每段高度的平板上放置尖劈进一步调整平均风剖面。
其中，优选方案选择，所述尖劈为梯形。尖劈采用可拉伸弹性材料制作，优选直接固定在旋转平板各层的末端。
如表1场地类别B方案，所述尖劈的梯形，从上到下的所述三层，第一层的梯形上边长*下边长＝250*500mm，斜角为80度；第二层的梯形上边长*下边长＝250*400mm，斜角为80度；第三层的梯形上边长*下边长＝150*300mm，斜角为80度。
其中，优选所述梯形的尖劈，从上到下的所述三层平板分别放置尖劈的个数优选为3，4和7个，可以更为准确的模拟测定湍流强度，可以更为准确的模拟湍流强度剖面和平均风剖面。
建筑模型位置处于T点(即最终目的为在T点产生我们需要的最接近于实际情况的来流风场)。
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 (8)

1.一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，包括可绕中心轴旋转的平板，平板将风洞分为三层，其中，各层均匀放置多个相同形状的尖劈，所述各层从上到下分别放置的尖劈的面积或尺寸由大变小。
2.根据权利要求1所述的一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，其特征在于，所述尖劈的形状包括三角形或梯形。
3.根据权利要求1所述的一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，其特征在于，尖劈采用可拉伸弹性材料，其高度随着平板的旋转角度改变而改变。
4.根据权利要求1所述的一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，其特征在于，尖劈直接固定在旋转平板各层的末端。
5.根据权利要求1所述的一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，其特征在于，所述尖劈为梯形，下边斜角可为60-90度。
6.根据权利要求1所述的一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，其特征在于，平板可绕中心轴旋转的角度0度到10度。
7.根据权利要求1所述的一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，其特征在于，各层平板可绕中心轴旋的角度转相同或者不同。
8.根据权利要求1所述的一种获得实验所需来流风的可调的尖劈粗糙元组合系统，其特征在于，所述尖劈的形状为梯形，从上到下各层平板放置尖劈的个数逐渐增多。
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