CN105910790B - 一种自激励式扰动粗糙元及用于增加湍流强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种自激励式扰动粗糙元，由上部扰动器和下部收风盒组成，扰动器通过连接杆与收风盒连接，上部扰动器分左右两部分，左侧末端为盖板，右侧为可调节角度的格栅结构，右侧末端为一方型重物。上部扰动器可以产生更多的漩涡，从而增加湍流强度，不需要外部能量输入。因其于精巧的结构设计仅靠风洞里的风能就能驱动，在应用时，可以调节重物质量的大小来满足不同风速条件下的需求。

Description

一种自激励式扰动粗糙元及用于增加湍流强度的方法
技术领域
本专利应用于风洞试验领域，应用粗糙元来改善大气边界层模拟的精度，特别涉及一种自激励式扰动粗糙元。
背景技术
随着建筑技术的发展，高层、大跨结构以及一些造型新奇的建筑越来越受人们的追捧。而这些结构往往都是风敏感的结构，建筑风荷载的设计都必须经过风洞试验来确定。大气边界层的模拟作为风洞试验的重要组成部分，其模拟效果将对确定建筑风荷载的准确度产生极大的影响。
大气边界层的模拟，主要是对平均风速剖面、近地湍流的模拟。针对如模拟大气边界层这一领域，当前国内外学者已经开展了大量的研究并取得了丰富的研究成果，对于平均风速剖面的模拟已经较为精确了；而对于底部湍流的模拟尤其是如何增大底部湍流强度，当前并未开展充分有效的研究。对于建筑结构来说，风荷载最有分析价值的部分就是湍流与建筑结构相耦合所产生的效应。如果能精确模拟湍流，将会得到更加精确的建筑结构的风荷载响应。
当前对大气边界层的模拟主要分主动模拟和被动模拟。被动模拟，通常采用尖劈加粗糙元或者格栅结构加粗糙元的形式；主动模拟，主要采用振动格栅结构、旋转尖劈加粗糙元进行模拟；粗糙元主要采用的是立方体。这种模拟方式对于下部湍流的模拟效果不好，尤其是湍流的强度。虽然采用主动模拟的振动尖劈、振动格栅的结构对于湍流强度有所提升，但是由于尖劈、格栅距离试验模型较远，湍流强度在到达模型之前衰减较多，致使下部的湍流强度仍然很弱。
粗糙元由于很靠近建筑模型，对于湍流的模拟效果较为显著。然而，传统的粗糙元都是采用被动模拟的方法，对于湍流强度的增强并不明显。
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。
已知现有技术存在以下问题：
1.被动模拟的尖劈、格栅结构对于下部湍流强度的模拟效果不好；
2.主动模拟的振动尖劈、振动格栅结构由于距离模型过远，对于靠近模型部分的湍流强度增加不明显；
3.传统采用立方体的粗糙元对于增加湍流强度的效果不佳；
4.现行的主动模拟如振动尖劈等需要外部能源输入，建造起来较为复杂，也不易维护。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，为了增加风洞下部的湍流强度，本发明提供了一种自激励式扰动粗糙元。粗糙元上的机械结构对风场施加扰动，可以在传统粗糙元机理下更进一步增强风场下部的湍流强度。这种可动的粗糙元不需要外部能量的输入，仅靠风洞内的风能就可实现。
优选地，本发明的目的是这样实现的：本发明的一种自激励式扰动粗糙元，其特征在于，由上部扰动器和下部收风盒组成，扰动器通过连接杆与收风盒连接，上部扰动器分左右两部分，左侧末端为盖板，右侧为可调节角度的格栅结构，右侧末端为一方型重物。
其中，优选所述连接杆与收风盒垂直连接，其高度范围为5-10cm。
进一步优选方案包括上部扰动器分左右两部分，扰动器上下摆动角度范围为±40-50度。
进一步优选方案包括该重物为一方型盒子，盒子中间可加填砝码，以调节扰动效果。
进一步优选方案包括左侧末端盖板优选为可开合的格栅结构组成，左侧格栅小窗板与盖板夹角约为45度。
进一步优选方案包括右侧盖板前部为格栅结构，右侧格栅小窗板与盖板夹角为-45度，而末端2-4cm段不设格栅结构，为封闭状态。
进一步优选方案包括下部收风盒优选为锥形体，具体尺寸可以根据风洞大小修改，锥形体的进风口优选为方形，边长约为5cm。
进一步优选方案包括该锥形体出风口的具体尺寸可以根据风洞大小修改，保证出风口的边长或直径至少为方形进风口边长的四分之一，优选为边长为1.25cm的方形口或者直径为1.25cm的圆形口。
上部扰动器上下摆动时会对风场施加扰动，产生竖直方向上的漩涡，漩涡随着扰动器的运动而周期性脱落以模拟大气边界层的湍流，从而增加风洞下部湍流强度。
本发明的粗糙元不需要外部能量输入，仅靠内部风能就可驱动。
本发明进一步提供一种增加湍流强度的方法，其使用前述的一种自激励式扰动粗糙元。具体地包括：
风从进风口吹入，经过收风盒的处理风速加大变成竖向的风，把扰动器右侧吹起同时左侧下落，左侧下落的盖板，盖住进风口使右侧不再有竖向的风吹出；在右侧重物的带动下，右侧下落同时左侧盖板升起，进风口继续进风形成循环，对风场中施加反复扰动，打乱来流增加底部湍流强度。
扰动器运动起来的可能性由伯努利方程给以理论支持：
V1：进风口风速既风洞底部风速
V2：出风口风速
a：进风口边长
可以看出出风口处的风速约是进风口的5.1倍，风速提升的很明显。
P1,P2：分别表示出风口的吹力和重物下落时要克服的阻力
V：表示底部风速
只要重物M满足一下关系：
P2<Mg<P1
就可以保证扰动的正常运动。
若底部风速为10m/s，则M取值范围在31.37g和80g之间；若底部风速为20m/s，则M取值范围在125.5g和320g之间。
具体说来，将粗糙元的运动大致分为两种状态：开口进风状态和闭口下落状态。
开口进风状态:
当盖板打开时风从进风口吹入，经过收风盒，由于狭壁效应风从出风口出来时风速变大，把带有重物的右端板吹起。此外，水平方向上风也会给右侧板一个向上吹起的力；而左侧板以及盖板，为了减小风阻力，在板上设计了格栅结构，旨在保证扰动器运动到不需要阻力的位置能让风通过，不产生阻力。当重物被吹起到超过水平位置时，水平向的风会吹向左侧板，此时的风已经不能从左侧格栅处吹过从而给左侧板一个向下运动的力，进一步带动右侧重物抬起同时左侧盖板下落，而右侧格栅的方向运动到刚好可以使风通过的位置，不会产生阻碍重物抬起的阻力。格栅结构的存在，保证水平风对扰动器的荷载都是有利于把右侧重物吹起的。
闭口下落状态：
左侧盖板完全盖住进风口时，不再有竖向风吹起。扰动器会在右侧重物自由落体运动的带动下运动：右侧重物下落左侧盖板升起。虽然此时会渐渐有竖向风吹出，但是重物仍会在惯性力的作用下到达底部。进风口完全打开，产生竖向风把右侧重物吹起同时左侧盖板落下，形成循环。
本发明所提供的一种粗糙元，与现有技术相比具有以下优点：
1.粗糙元结构本身为钝体，与普通粗糙元功能相同；同时，上部扰动器可以产生更多的漩涡，从而增加湍流强度；
2.虽然本粗糙元是通过对风场的扰动产生周期性的湍流风，但是并不需要外部能量输入，由于精巧的结构设计仅靠风洞里的风能就能驱动；
3.粗糙元上的格栅以及方型的重物都可以进一步的打乱风场产生漩涡从而增大湍流强度；
4.粗糙元距离试验模型距离较近，产生的湍流强度不易损失；
5.在应用时，可以调节重物质量的大小来满足不同风速条件下的需求。
附图说明
图1，本发明一种自激励式扰动粗糙元(开口进风状态)的前视图
图2，本发明一种自激励式扰动粗糙元(开口进风状态)的立体示意图
图3，本发明一种自激励式扰动粗糙元(闭口下落状态)的立体示意图
图4，本发明一种多个自激励式扰动粗糙元(开口进风状态)排列的立体示意图
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和3所示，一种自激励式扰动粗糙元，由上部扰动器和下部收风盒组成，扰动器通过连接杆与收风盒连接，上部扰动器分左右两部分，左侧末端为盖板，右侧为可调节角度的格栅结构，右侧末端为一方型重物。
连接杆与收风盒垂直连接，其高度为5cm，收风盒边长约为5cm。
优选上部扰动器分左右两部分，扰动器上下摆动角度为±40度。右侧盖板末端2cm段不设格栅结构，为封闭状态。
左侧末端为盖板优选为可开合的格栅结构组成，左侧小窗板与盖板夹角约为45度，右侧小窗板与盖板夹角为-45度。
下部收风盒优选为锥形体，锥形体的进风口优选为方形。
实施例2
如图1、2和3所示，一种自激励式扰动粗糙元，由上部扰动器和下部收风盒组成，扰动器通过连接杆与收风盒连接，上部扰动器分左右两部分，左侧末端为盖板，右侧为可调节角度的格栅结构，右侧末端为一方型重物。
连接杆与收风盒垂直连接，其高度为6cm，收风盒边长约为5cm。
优选上部扰动器分左右两部分，扰动器上下摆动角度为±50度。右侧盖板末端4cm段不设格栅结构，为封闭状态。
左侧末端为盖板优选为可开合的格栅结构组成，左侧小窗板与盖板夹角约为45度，右侧小窗板与盖板夹角为-45度。
下部收风盒优选为锥形体，锥形体的进风口优选为方形。
优选该重物为一方型盒子，中间可加填砝码以调节扰动效果。
实施例3
如图1、2和3所示，一种自激励式扰动粗糙元，由上部扰动器和下部收风盒组成，扰动器通过连接杆与收风盒连接，上部扰动器分左右两部分，左侧末端为盖板，右侧为可调节角度的格栅结构，右侧末端为一方型重物。
连接杆与收风盒垂直连接，其高度为5cm，收风盒边长约为5cm。
优选上部扰动器分左右两部分，扰动器上下摆动角度为±50度。右侧盖板末端4cm段不设格栅结构，为封闭状态。
左侧末端为盖板优选为可开合的格栅结构组成，左侧小窗板与盖板夹角约为45度，右侧小窗板与盖板夹角为-45度。
下部收风盒优选为锥形体，锥形体的进风口优选为方形。
该重物为一方型盒子，中间可加填砝码以调节扰动效果。
实施例4一种增加湍流强度的方法
如图4所示，使用前述实施例1-3任一方案的一种自激励式扰动粗糙元。具体地包括：
风从进风口吹入，经过收风盒的处理风速加大变成竖向的风，把扰动器右侧吹起同时左侧下落，左侧下落的盖板，盖住进风口使右侧不再有竖向的风吹出；在右侧重物的带动下，右侧下落同时左侧盖板升起，进风口继续进风形成循环，对风场中施加反复扰动，打乱来流增加底部湍流强度。
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。对于本发明所属技术领域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 (6)

1.用于风洞底部湍流强度增强的粗糙元，其特征在于，由上部扰动器和下部收风盒组成，扰动器通过连接杆与收风盒连接，上部扰动器分左右两部分，左侧末端为盖板，右侧为可调节角度的格栅结构，右侧末端为一方型重物，连接杆与收风盒垂直连接，其高度范围为5-10cm，上部扰动器分左右两部分，扰动器上下摆动角度范围为±40-50度。
2.根据权利要求1所述的用于风洞底部湍流强度增强的粗糙元，其特征在于，该重物为一方型盒子，盒子中间可加填砝码。
3.根据权利要求1所述的用于风洞底部湍流强度增强的粗糙元，其特征在于，左侧末端盖板为可开合的格栅结构组成，左侧格栅小窗板与盖板夹角约为45度。
4.根据权利要求1所述的用于风洞底部湍流强度增强的粗糙元，其特征在于，右侧盖板前部为格栅结构，右侧格栅小窗板与盖板夹角为-45度，而末端2-4cm段不设格栅结构，为封闭状态。
5.根据权利要求1所述的用于风洞底部湍流强度增强的粗糙元，其特征在于，下部收风盒为锥形体，具体尺寸可以根据风洞大小修改，锥形体的进风口为方形，边长约为5cm。
6.根据权利要求5所述的用于风洞底部湍流强度增强的粗糙元，其特征在于，该锥形体出风口的具体尺寸可以根据风洞大小修改，保证出风口的边长或直径至少为方形进风口边长的四分之一，边长为1.25cm的方形口或者直径为1.25cm的圆形口。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113884272B (zh) * 2021-08-30 2022-07-08 华北电力大学 一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN85202489U (zh) * 1985-05-20 1986-09-10 酒泉钢铁公司烧结厂 重力摆动板式密封装置
CN101377447A (zh) * 2008-09-12 2009-03-04 北京大学 一种旋出式风洞可变粗糙元装置
CN105387991A (zh) * 2015-12-02 2016-03-09 同济大学 一种风洞紊流场模拟方法及装置
CN205642792U (zh) * 2016-04-12 2016-10-12 哈尔滨工业大学深圳研究生院 用于风洞底部湍流强度增强的粗糙元

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2941461B2 (ja) * 1991-02-21 1999-08-25 三菱重工業株式会社 風洞内乱流発生装置
JP2000266635A (ja) * 1999-03-19 2000-09-29 Hitachi Zosen Corp 境界層乱流発生装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN85202489U (zh) * 1985-05-20 1986-09-10 酒泉钢铁公司烧结厂 重力摆动板式密封装置
CN101377447A (zh) * 2008-09-12 2009-03-04 北京大学 一种旋出式风洞可变粗糙元装置
CN105387991A (zh) * 2015-12-02 2016-03-09 同济大学 一种风洞紊流场模拟方法及装置
CN205642792U (zh) * 2016-04-12 2016-10-12 哈尔滨工业大学深圳研究生院 用于风洞底部湍流强度增强的粗糙元

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