CN106370390B - 一种产生顺风向脉动气流的主动格栅装置 - Google Patents

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    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
    • G01M9/065—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing dealing with flow

Abstract

本发明公开了一种产生顺风向脉动气流的主动格栅装置，包括固定于风洞壁上的上横梁、下横梁，以及与上横梁和下横梁固定连接的四边形内支承框，在内支承框内自上而下依次间隔设有多根水平的固定翼栅，每相邻两个固定翼栅之间的间隙中设有转轴，转轴上套装有旋转叶栅；转轴两端分别固定在内支承框的两侧边框上并伸出边框，自上而下每相邻两根转轴的伸出端之间依次通过传动装置连接，位于最下端的转轴与伺服电机连接。本发明通过旋转叶栅和固定翼栅的合理配合，抑制了竖向脉动气流分量对应的湍流动能，消除了对下游脉动气流的影响作用，从而可以实现相对比较单纯的顺风向脉动气流，并进一步可以形成多种可控特性的顺风向脉动气流。

Description

一种产生顺风向脉动气流的主动格栅装置
技术领域
本发明属于风洞实验技术领域,具体涉及一种产生顺风向脉动气流的主动格栅装置。
背景技术
在结构物或环境模拟风洞试验中，一般需要特定手段在边界层风洞中模拟天然大气边界层紊流特性，即在风洞内产生具有一定特性的脉动气流。目前在风洞内产生边界层湍流的方法分为被动模拟和主动模拟两类。被动模拟常常通过设置特定尺寸的尖劈、格栅条和粗糙元实现；而主动模拟一般通过特定的机械设备和装置来实现，如现有的主动尖劈，振动翼栅等。
在现有的风洞试验技术领域，被动模拟装置生成的风谱随着距离被动尖劈等装置距离的变化而变化，沿着高度的改变也会发生改变，很难在模型安装区域在全模型范围内产生所需要的脉动风。同时，桥梁结构抖振力理论气动导纳函数最初是通过单一谐波脉动风假设来推理的，因此在风洞内产生单一谐波脉动风对理论研究的意义很大。此外，结构物总是处在特定的紊流风场中，常见的紊流风场有两类：特征紊流风场和自然风场，前者如气流绕过桥梁断面后的特征尾流，常常为具有某种频谱特征的周期脉动流；后者自然风的风谱常常为具有一定频谱特征的随机脉动流。
目前在风洞内产生上述三类特征脉动流的手段非常匮乏，据发明人所知国内尚未出现该类通用设备，因此通过一定的手段来实现特定频谱脉动风场的主动模拟方法对理论研究和实际工程应用都具有重要意义。
本发明由国家自然科学基金项目(No.51478181、U1534206)联合资助。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种仅产生顺风向脉动气流的可主动控制的格栅装置，可按照单一频率和多频率组合运动或以某一特定的频谱随机振动，从而使气流中产生特定频率的顺风向脉动气流。
本发明解决问题的技术方案是：一种产生顺风向脉动气流的主动格栅装置，包括固定于风洞壁上的上横梁、下横梁，以及与上横梁和下横梁固定连接的四边形内支承框，在内支承框内自上而下依次间隔设有多根水平的固定翼栅，每相邻两个固定翼栅之间的间隙中设有转轴，转轴上套装有旋转叶栅；
所述转轴两端分别固定在内支承框的两侧边框上并伸出边框，自上而下每相邻两根转轴的伸出端之间依次通过传动装置连接，位于最下端的转轴与伺服电机连接。
上述方案中，旋转叶栅提供脉动能量，固定翼栅用以消减扰动产生的竖向脉动，水平布置的固定翼栅打碎并抑制了竖向脉动涡旋的尺寸，使之很快进行能量衰减，竖向脉动涡旋移动至下游较短距离后与激励频率对应的竖向脉动气流分量基本为零，从而在下游形成较纯净的顺风向脉动气流。
为避免转轴跨度大而导致变形，所述内支承框中间增设有加强竖梁，每根转轴均穿过加强竖梁。
优选的，所述内支承框、与内支承框相连的传动装置、伺服电机均设有两套，两个伺服电机同步运转。
优选的，所述固定翼栅的横截面为锥面，且两端设有平滑圆弧过渡，圆弧半径大的一端为迎风面。
所述旋转叶栅的横截面为椭圆形。
上述对固定翼栅和旋转叶栅进行优化，使其无明显气动分离。
优选的，所述传动装置为皮带或齿轮。
工作时，伺服电机带动最下端的转轴转动，进而通过传动装置依次带动所有转轴转动，进而实现旋转叶栅的转动。
本发明的显著效果是：
1.通过旋转叶栅和固定翼栅的合理配合，抑制了竖向脉动气流分量对应的湍流动能，消除了对下游脉动气流的影响作用，从而可以实现相对比较单纯的顺风向脉动气流。
2.采用伺服电机和控制软件相配合，在风洞内可以实现格栅按照单一频率谐波、多频率组合谐波以及以某一频谱特性为目标的随机振动等多种运动形式，从而形成多种可控的顺风向脉动气流，具备很强的适用性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明主动格栅的主视图。
图2是本发明主动格栅的侧视图。
图3是固定翼栅示意图。
图4是旋转叶栅示意图。
图5是转轴-皮带轮的连接示意图。
图中：1、横梁；2、内支承框；3、转轴；4、固定翼栅；5、伺服电机；6、旋转叶栅；7、皮带；8、加强竖梁；9、下横梁。
具体实施方式
为了便于描述，各部件的相对位置关系(如：上、下、左、右等)的描述均是根据说明书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。
如图1～5所示，一种产生顺风向脉动气流的主动格栅装置，包括固定于风洞壁上的上横梁1、下横梁9，以及与上横梁1和下横梁9固定连接的四边形内支承框2。在内支承框2内自上而下依次间隔设有多根水平的固定翼栅4，每相邻两个固定翼栅4之间的间隙中设有转轴3，转轴3上套装有旋转叶栅6。所述内支承框2中间增设有加强竖梁8，每根转轴3均穿过加强竖梁8。
所述固定翼栅4的横截面为锥面，且两端设有平滑圆弧过渡，圆弧半径大的一端为迎风面。所述旋转叶栅6的横截面为椭圆形。
所述转轴3两端分别固定在内支承框2的两侧边框上并伸出边框，自上而下每相邻两根转轴3的伸出端之间依次通过传动装置连接，位于最下端的转轴3与伺服电机5连接。
所述内支承框2、与内支承框2相连的传动装置、伺服电机5均设有两套，两个伺服电机5同步运转。
所述传动装置为皮带7。
可以通过伺服电机与伺服驱动器的配合实现如下三类运动形式：
(1)单一谐波频率运动，运动位移d1＝A.sin(ωt)，其中运动频率f＝0.1～3Hz可调，ω＝2πf，t为时间，A为运动位移幅值，根据格栅设计初始条件设定。
(2)多谐波组合运动，运动位移j＝2～10多阶谐波组合可根据需要选择，其中ω＝2πf，f为运动频率，an为运动位移幅值，t为时间。
(3)随机运动，运动位移d3根据目标风谱通过FFT逆变换得到运动时程，然后通过峰值平滑处理技术得到电机运行可接受的运行曲线。例如根据桥梁抗风规范的Davenport顺风向风谱得到的运行曲线，目标是得到循环可控气流，其目标功率谱为Davenport谱。
控制目标在于实现顺风向的三类脉动特性气流。
本发明中伺服电机6的运动通过软件“双格栅控制程序”来调节参数，从而实现单一频率谐波运动、多频率谐波组合运动及以某一频谱为目标的随机振动等多种运动形式。所述“双格栅控制程序”为现有的软件名称。

Claims (5)

1.一种产生顺风向脉动气流的主动格栅装置，包括固定于风洞壁上的上横梁（1）、下横梁（9），以及与上横梁（1）和下横梁（9）固定连接的四边形内支承框（2），其特征在于：在内支承框（2）内自上而下依次间隔设有多根水平的固定翼栅（4），每相邻两个固定翼栅（4）之间的间隙中设有转轴（3），转轴（3）上套装有旋转叶栅（6）；
所述转轴（3）两端分别固定在内支承框（2）的两侧边框上并伸出边框，自上而下每相邻两根转轴（3）的伸出端之间依次通过传动装置连接，位于最下端的转轴（3）与伺服电机（5）连接；所述传动装置为皮带或齿轮。
2.根据权利要求1所述的产生顺风向脉动气流的主动格栅装置，其特征在于：所述内支承框（2）中间增设有加强竖梁（8），每根转轴（3）均穿过加强竖梁（8）。
3.根据权利要求1或2所述的产生顺风向脉动气流的主动格栅装置，其特征在于：所述内支承框（2）、与内支承框（2）相连的传动装置、伺服电机（5）均设有两套，两个伺服电机（5）同步运转。
4.根据权利要求1所述的产生顺风向脉动气流的主动格栅装置，其特征在于：所述固定翼栅（4）的横截面为锥面，且两端设有平滑圆弧过渡，圆弧半径大的一端为迎风面。
5.根据权利要求1所述的产生顺风向脉动气流的主动格栅装置，其特征在于：所述旋转叶栅（6）的横截面为椭圆形。
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