CN105910793A - 一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅 - Google Patents

Abstract

本发明首先采用振动格栅的方法对均匀湍流场研究，提出了一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，格栅设置在风洞箱内，将格栅与电机相连，电机驱动改变振动格栅的振动速度，使得格栅条在风洞箱内发生可控振动。来流风可穿过该格栅，采用格栅条的尾流增强试验位置的湍流强度，实现湍流强度的精确可调。本发明旨在得到均匀湍流场湍流度的控制方法，从而准确开展特定均匀湍流场下桥面板等结构的风致振动响应试验；然后再采用振动格栅、尖劈和粗糙元组合耦合系统，对实际工程中的大气边界层进行模拟，实现对建筑模型风振响应的准确分析。本发明实现了对结构在均匀湍流场和大气边界层风场中的研究，能够满足多种结构的风振响应分析需求。

Description

一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅

技术领域

本发明属于流体力学试验技术领域，具体涉及一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅及用于增强大气边界层风洞湍流度的方法。

背景技术

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。主动模拟方法的原理是使用可控制的主动扰动装置对风洞中主气流进行干扰，通过对湍流提供额外的能量而使平均风剖面和湍流度在一定范围内独立改变，从而实现大气边界层的模拟。主动模拟方法能很好地实现对平均风剖面和湍流度的模拟，但是由于其技术要求高，造价费用巨大等原因，该方法未能得到很好地推行。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。经各类风洞大气边界层模拟结果表明，该调试方法已经基本可以模拟真实大气边界层的平均风速廓线，但是对于湍流度廓线的模拟往往不尽人意，特别是对于城市高层建筑物和高耸细长结构等的大气边界层模拟过程中，常常出现边界层上部湍流度过小等问题，使试验结果产生偏差。所以，对大气边界层湍流度的模拟仍然是风洞模拟的热点。

等间距格栅由于其能在风场中产生均匀湍流场而使其在风场模拟装置中占据着不可替代的作用，特别是在桥梁结构风洞试验中，能够模拟局部较为均匀的紊流强度和积分尺度流场显得尤为重要。格栅能够较好地控制风速与湍流度的关系，故而对其尾流特性的研究也备受重视。例如，现有技术CN104316286A提供了一种旋翼启动试验台低端设计方法；以及CN104596725A风洞谐波风场的半主动模拟装置。

已有技术主要存在以下问题：

1、粗糙元的扰动范围过小，不能有效地扩散到相对的高度。研究表明，粗糙元的有效扰动范围大致为5倍边长，其影响范围远远小于风洞的几何尺寸；

2、由尖劈等旋涡发生器产生的高空湍流在流场中快速衰减，待其尾流发展到试验圆盘时，湍流能量所剩无几；

3、现如今较常使用的固定格栅不能大幅度变化流场湍流度，从而使模拟风场具有局限性。

发明内容

本发明首先通过采用振动格栅的方法对均匀湍流场进行研究，一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅旨在提出均匀湍流场湍流度的控制方法，从而实现对不同均匀湍流场下桥面板等结构的响应；然后再由振动格栅、尖劈和粗糙元的耦合作用，对大气边界层进行模拟，从而实现对建筑模型风振响应的分析。故本发明可以实现对结构在均匀湍流场和大气边界层风场中的研究，能够适应各种结构的风振响应分析。

振动格栅采用改变格栅堵塞率、运动振幅和频率以及格栅与实验转盘距离的方法来改变流场的湍流度。

具体的，本发明通过以下技术方案来实现，所述一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，包括：

一个风洞箱，风洞箱的其中两个相对面为中空，格栅设置在风洞箱内，来流风可穿过该格栅，其中，格栅与电机相连，通过电机驱动改变振动格栅的振动速度，实现格栅条在风洞箱内的振动。

优选格栅的栅条采用矩形截面的形式，通过与电机相连，并且改变振动格栅的振动速度，实现格栅条在风洞箱内的振动，该振动可以增加湍流度(大约增幅为7％～30％)。振动格栅振动快，湍流度增大；反之，减小。

本发明优选格栅宽度分别取0.35m、0.25m、0.15m和0.05m。

本发明采用横竖各四根格栅的布置形式对格栅形状进行分析。格栅横竖条数分别为7*10、6*8、5*6和4*4四个工程概况。

进一步优选方案中，风洞箱为长方体或者正方体。优选在风洞箱的顶部和底部设置轨道，且风洞箱通过与电机相连，在电机驱动下，沿着轨道作往复运动。

本发明进一步提供一种可增强大气边界层风洞湍流度的方法，其中，使用前述一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅。

具体方法包括：根据来流风情况，启动电机，通过与电机改变振动格栅的振动速度，实现格栅条在风洞箱内的振动；并在电机驱动下，沿着轨道作往复运动；通过实时监测风洞箱内T点处的湍流度，以确定风洞箱内的湍流度满足实验需求，在振动格栅的参与下，使风场中上部湍流度得以加强，从而实现对大气边界层的模拟。

建筑物T点距边壁的最短距离不应小于试验段宽度的15％；距顶壁的最短距离不应小于试验段高度的25％；阻塞比宜不小于5％，最大不应超过8％；从而提高测试的精确度。

为了实现变量的控制，格栅的形状参数主要包括格栅条数N、格栅宽度B和格栅中心孔边长C1,C2，其中，格栅形状参数优选选取如表1、表2所示。

表1

以及表2

其中，对于格栅厚度H，在风洞试验中，格栅主要是通过对来流风的堵塞作用对风场实现扰动而产生湍流，故格栅厚度H对风场尾流的影响可不予考虑。格栅振动频率能够增大湍流强度的同时也增大了流场随时间的波动性，且其对湍流度增加的幅度也随频率的增加而减小，故格栅振动频率不宜过大。而格栅的振动频率对试验截面流场分布影响不大，其仅对流场湍流强度值的大小有较大的影响。不同振幅对流场的影响与格栅振动频率对流场的影响规律类似，均不宜有过大的振幅从而导致波动幅度过大。但改变振幅对流场湍流度的提高仍不可忽视，其能够实现流场湍流强度提高而速度不发生改变的规律对流场调试有很大的帮助。

本发明具体原理包括：在大气边界层风场模拟中，除了振动格栅以外，尚需增加尖劈和粗糙元等辅助装置实现大气边界层模拟。以规范规定四类地貌风特性剖线为基准，尖劈和粗糙元能够使风场在中下部产生符合规范规定的风剖面和湍流强度廓线，本发明在振动格栅的参与下，使风场中上部湍流度得以加强，从而实现对大气边界层的模拟。

具体地，

(1)增加格栅宽度能够增强流场湍流强度，但格栅宽度过大，流场湍流强度不均匀，而格栅宽度过小，湍流强度分布轮廓近似格栅状。故当需加强流场稳定性或湍流强度值时，可通过流场湍流度分布轮廓决定格栅宽度的调整范围。而增加格栅数目对湍流强度的大小影响不大，而能使速度值减小，但当格栅数目达到一定值时，风速不随格栅数目改变而改变。对于湍流强度和速度在空间上的分布，增加格栅数目能够很好地改善流场均匀性，但格栅数目不宜过大，避免出现明显的分层现象。

(2)增加格栅振动频率和振幅对流场湍流度和速度的影响很相似，这两种方法均能使湍流强度增加，但同时也使流场随时间变化的波动幅度增大，而其对速度的影响除了波动性增大以外没有其他明显的影响。故在格栅运动参数选取中，频率与振幅选取不宜过大，避免流场随时间变化的波动幅度过大。

(3)在振动格栅尾流中，湍流强度和速度在各截面的分布迅速变得均匀，其变均匀所需风程约为风洞宽度和高度中的较小值。在尾流分布均匀的流场内，改变测点与格栅的距离对湍流强度有很大的影响，其调控范围达到7％-21％，而其相应波动性也增大，但仍处于稳定限定范围以内。

(4)湍流强度在时间和空间上的分布规律及分布值大小均与入流风速无关，入流风速只改变流场中风速的大小，不改变流场中风速的分布规律。

本发明相对于现有技术所起到的有益效果包括：

1、通过改变格栅尺寸，振动速度实现了对风场湍流强度的实时量化调控；

2、振动格栅的往复运动，在孔洞处形成的射流与栅条后形成的尾流相互作用，能在距格栅一定范围内形成可控紊流，从而加强湍流强度。

附图说明

图1本发明一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅的示意图；

图2本发明振动格栅的工作反馈流程图；

图3本发明振动格栅示意图，其中，格栅的形状及参数主要包括格栅条数N、格栅宽度B、格栅厚度H和格栅中心孔边长C1,C2。

具体实施方式

下面结合具体事例和附图对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容不局限于实施例。

实施例1

如图1、3所示，一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，包括：

一个风洞箱，风洞箱的其中两个相对面为中空，格栅设置在风洞箱内，来流风可穿过该格栅，其中，格栅与电机相连，通过电机驱动改变振动格栅的振动速度，实现格栅条在风洞箱内的振动。

实施例2

如图1、3所示，一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，包括：

一个风洞箱，风洞箱的其中两个相对面为中空，格栅设置在风洞箱内，来流风可穿过该格栅，其中，格栅与电机相连，通过电机驱动改变振动格栅的振动速度，实现格栅条在风洞箱内的振动。

风洞箱为长方体或者正方体，在风洞箱的顶部和底部设置轨道，且风洞箱通过与电机相连，在电机驱动下，使得沿着轨道作往复运动。

实施例3

如图1、3所示，在实施例2的一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅基础上，格栅的形状参数主要包括格栅条数N、格栅宽度B和格栅中心孔边长C1,C2，其中，格栅形状参数选取如下所示：

以及

实施例4

如图1、2和3所示，使用实施例3的一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，根据来流风情况，启动电机，通过与电机改变振动格栅的振动速度，实现格栅条在风洞箱内的振动；并在电机驱动下，沿着轨道作往复运动；通过实时监测风洞箱内T点处的湍流度，以确定风洞箱内的湍流度满足实验需求，在振动格栅的参与下，使风场中上部湍流度得以加强，从而实现对大气边界层的模拟，通过改变格栅尺寸，振动速度实现了对风场湍流强度的实时量化调控。

建筑物T点距边壁的最短距离不应小于试验段宽度的15％；距顶壁的最短距离不应小于试验段高度的25％；阻塞比宜不小于5％，最大不应超过8％；从而提高测试的精确度。

选择上述对应格栅参数，频率、振幅、入流风速参数如下所示：

以及

模拟结果显示，本发明的主动型振动格栅可以增加湍流度(大约增幅为7％～30％)。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。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替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，其特征在于，包括：一个风洞箱，风洞箱的其中两个相对面为中空，格栅设置在风洞箱内，来流风可穿过该格栅，其中，格栅与电机相连，通过电机驱动改变振动格栅的振动速度，实现格栅条在风洞箱内的振动。

2.根据权利要求1所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，其特征在于，优选格栅的栅条采用矩形截面的形式。

3.根据权利要求1所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，其特征在于，优选格栅宽度分别取0.35m、0.25m、0.15m和0.05m。

4.根据权利要求1所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，其特征在于，格栅横竖条数分别为7*10、6*8、5*6和4*4。

5.根据权利要求1所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，其特征在于，风洞箱为长方体或者正方体。

6.根据权利要求1所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅，其特征在于，在风洞箱的顶部和底部设置轨道，且风洞箱通过与电机相连，在电机驱动下，沿着轨道作往复运动。

7.一种可增强大气边界层风洞湍流度的方法，其特征在于，使用前述权利要求1—6任一权利要求所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的主动型振动格栅。

8.根据权利要求7所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的方法，其特征在于，具体方法包括：根据来流风情况，启动电机，通过与电机改变振动格栅的振动速度，实现格栅条在风洞箱内的振动；并在电机驱动下，沿着轨道作往复运动；通过实时监测风洞箱内T点处的湍流度，以确定风洞箱内的湍流度满足实验需求，在振动格栅的参与下，使风场中上部湍流度得以加强，从而实现对大气边界层的模拟。

9.根据权利要求8所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的方法，其特征在于，建筑物T点距边壁的最短距离不应小于试验段宽度的15％；距顶壁的最短距离不应小于试验段高度的25％；阻塞比宜不小于5％，最大不应超过8％。

10.根据权利要求8所述的一种可增强大气边界层风洞湍流度的方法，其特征在于，格栅的形状参数主要包括格栅条数N、格栅宽度B和格栅中心孔边长C1,C2，其中，格栅形状参数选取如下：

以及