CN107436220A - 一种回流式变频调速多风扇阵列风洞及其试验方法 - Google Patents

一种回流式变频调速多风扇阵列风洞及其试验方法 Download PDF

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张明龙
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Abstract

本发明涉及一种回流式变频调速多风扇阵列风洞及其试验方法，风洞整体呈回字型，包括依次连接的多风扇动力段（1）、第一试验段（2）、第一拐角（3）、第一回流段（4）、第二拐角（5）、稳定段（6）、收缩段（7）、第二试验段（8）、第一扩散段（9）、第三拐角（10）、第二扩散段（11）、第四拐角（12）和第二回流段（13）。采用自适应控制技术实现多风扇系统的变频调速；第一试验段和第二试验段可根据试验对象进行调整。本发明的回流式变频调速多风扇阵列风洞采用回流式和双试验段型式，具有能量损失小、应用领域广等优势。

Description

一种回流式变频调速多风扇阵列风洞及其试验方法
技术领域
本发明涉及流体力学技术领域，尤其涉及一种回流式变频调速多风扇阵列风洞及其试验方法。
背景技术
随着科学技术的发展，风洞试验已广泛应用于航空航天、建筑、能源等领域。目前，较为先进的风场模拟技术是基于多风扇阵列风洞的主动模拟技术。多风扇主动控制风洞设计思想来源于Teunissen的多射流风洞（Multiple-jet wind tunnel），它由8×8个射流管阵列组成，每个射流管内径约6.2mm，射流速度分别由阀门控制，试验断面仅有0.2m×0.2m×2.86m。Teunissen结合对试验段地面粗糙度的控制，模拟了湍流度大于10%、积分尺度超过l m的湍流边界层流场。与Teunissen的多射流风洞相比，多风扇主动控制风洞的模拟效果更佳。日本Miyazaki大学的多风扇主动控制风洞由11×9个风扇构成，试验段尺寸15.5m(L)×2.6m(W)×1.8m(H)，最大风速15m/s；美国佛罗里达的多风扇主动控制风洞（IBHSResearch Center）由15×7个风扇构成，试验段尺寸44.2m(L)×44.2m(W)×18.3m(H)，最大风速58m/s；同济大学的多风扇主动控制风洞（TJ-5）由12×10个风扇构成，试验段尺寸10m(L)×1.5m(W)×1.8m(H)，最大风速18m/s。上述的多风扇主动控制风洞均采用直流式单试验段结构，主要存在能量损失大和应用领域受限等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种回流式变频调速多风扇阵列风洞及其试验方法，以解决能量损失大和应用领域受限等问题，为科学研究及防风减灾提供理论依据和指导。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种回流式变频调速多风扇阵列风洞，风洞整体呈回字型，包括依次连接的多风扇动力段（1）、第一试验段（2）、第一拐角（3）、第一回流段（4）、第二拐角（5）、稳定段（6）、收缩段（7）、第二试验段（8）、第一扩散段（9）、第三拐角（10）、第二扩散段（11）、第四拐角（12）和第二回流段（13）。
进一步地，多风扇动力段（1）包括呈M行N列排布的单风扇段（14）；所述单风扇段（14）由依次连接的集气段（14-1）、单风扇动力段（14-2）和过渡段（14-3）组成。
进一步地，所述单风扇动力段（14-2）内部沿气流方向依次设置有整流罩前罩（14-4）、电机（14-5）、整流罩中罩（14-6）和整流罩尾罩（14-7）；整流罩前罩（14-4）外壁与单风扇动力段（14-2）的壳体内壁通过支撑片（14-8）连接；风扇叶片（14-9）与电机（14-5）输出轴连接；整流罩中罩（14-6）外壁与单风扇动力段（14-2）的壳体内壁通过止旋片（14-10）连接。
进一步地，所述整流罩前罩（14-4）和整流罩尾罩（14-7）的外形曲线按流线型旋成体坐标值确定；整流罩中罩（14-6）为圆筒结构；整流罩尾罩（14-7）由整流罩中罩（14-6）沿气流方向逐渐缩小并密封。
进一步地，所述集气段（14-1）采用喇叭口型式；所述过渡段（14-3）具有扩散角度，且扩散角度为5-6度。
进一步地，第一试验段（2）内设置第一转盘（2-1），第二试验段（8）内设置第二转盘（8-1），第一试验段（2）与第二试验段（8）内均设置流场数据采集装置。
进一步地，第一拐角（3）、第二拐角（5）、第三拐角（10）和第四拐角（12）内均设置导流片（15），导流片（15）的个数视拐角尺寸而定。
进一步地，稳定段（6）包括阻尼网（6-1）和蜂窝器（6-2）；所述阻尼网（6-1）和蜂窝器（6-2）分别通过螺栓固定于稳定段（6）内壁。
进一步地，蜂窝器（6-2）采用六角形蜂窝结构。
进一步地，所述第二回流段（13）内设有防护网（17），防护网（17）通过螺栓固定于第二回流段（13）内壁。
进一步地，多风扇动力段（1）、第一试验段（2）、第一拐角（3）、第一回流段（4）、第二拐角（5）、稳定段（6）、收缩段（7）、第二试验段（8）、第一扩散段（9）、第三拐角（10）、第二扩散段（11）、第四拐角（12）和第二回流段（13）之间通过法兰相互连接在一起。
一种采用上述回流式变频调速多风扇阵列风洞的试验方法，试验时，通过自适应控制技术实现多风扇动力段（1）的变频调速，当第一试验段（2）处于脉动试验时，拆卸阻尼网（6-1）；当第二试验段（8）处于常规风场试验时，安装阻尼网（6-1）。
与现有技术相比，本发明具有有益效果：采用回流式和双试验段型式，可以针对不同研究需求和试验项目合理选择试验段及试验风速，具有能量损失小、应用领域广等优势。
附图说明
图1是本发明回流式变频调速多风扇阵列风洞整体结构示意图；
图2是图1中A-A向视图；
图3是图1中B-B向视图；
图4是多风扇动力段的主视图；
图5是多风扇动力段的左视图；
图6是单风扇段的结构示意图。
图中：1、多风扇动力段，2、第一试验段，2-1、第一转盘，3、第一拐角，4、第一回流段，5、第二拐角，6、稳定段，6-1、阻尼网，6-2、蜂窝器，7、收缩段，8、第二试验段，8-1、第二转盘，9、第一扩散段，10、第三拐角，11、第二扩散段，12、第四拐角，13、第二回流段，14、单风扇段，14-1、集气段，14-2、单风扇动力段，14-3、过渡段，14-4、整流罩前罩，14-5、电机，14-6、整流罩中罩，14-7、整流罩尾罩，14-8、支撑片，14-9、风扇叶片，14-10、止旋片；15、导流片，16、隔振圈，17、防护网。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1-6所示，本发明的一种回流式变频调速多风扇阵列风洞，整体呈回字型，包括依次连接的多风扇动力段1、第一试验段2、第一拐角3、第一回流段4、第二拐角5、稳定段6、收缩段7、第二试验段8、第一扩散段9、第三拐角10、第二扩散段11、第四拐角12和第二回流段13。
多风扇动力段1前后均设置有隔振圈16，多风扇动力段1包括呈M行N列排布的单风扇段14；单风扇段14由依次连接的集气段14-1、单风扇动力段14-2和过渡段14-3组成，试验时，通过自适应控制技术实现多风扇动力段的变频调速。
集气段14-1采用喇叭口型式，能最大限度地提高进气效率；单风扇动力段14-2内部沿气流方向依次设置有整流罩前罩14-4、电机14-5、整流罩中罩14-6和整流罩尾罩14-7；整流罩前罩14-4和整流罩尾罩14-7的外形曲线按流线型旋成体坐标值确定；整流罩前罩14-4外壁与单风扇动力段14-2的壳体内壁通过支撑片14-8连接；风扇叶片14-9与电机14-5输出轴连接；整流罩中罩14-6为圆筒结构，其外壁与单风扇动力段14-2的壳体内壁通过止旋片14-10连接；整流罩尾罩14-7由整流罩中罩14-6沿气流方向逐渐缩小并密封；过渡段14-3具有一定的扩散角度，扩散角度为5-6度，能使气流的动能转化成压力能，减少能量损失。
第一试验段2内设置第一转盘2-1，第二试验段8内设置第二转盘8-1，第一试验段2与第二试验段8内均设置流场数据采集装置。由于第一试验段2和第二试验段8所针对的试验对象不同，对试验段的风速要求也不同。根据风洞设计规范，两个试验段尺寸不同，与之对应的转盘尺寸也不相同。
第一拐角3、第二拐角5、第三拐角10和第四拐角12内均设置导流片15，导流片15的个数视拐角尺寸而定。
稳定段6包括阻尼网6-1和蜂窝器6-2；阻尼网6-1和蜂窝器6-2分别通过螺栓固定于稳定段6内壁，蜂窝器6-2采用六角形蜂窝结构，用于导直气流，当第一试验段2处于脉动试验时，拆卸阻尼网6-1，提高能量损失；当第二试验段8处于常规风场试验时，安装阻尼网6-1，降低气流的湍流度。
第二回流段13内设有防护网17，防护网17通过螺栓固定于第二回流段13内壁。
多风扇动力段1、第一试验段2、第一拐角3、第一回流段4、第二拐角5、稳定段6、收缩段7、第二试验段8、第一扩散段9、第三拐角10、第二扩散段11、第四拐角12和第二回流段13之间通过法兰相互连接在一起。
实施例1
当多风扇动力段1中的电机14-5处于某转速时，使电机14-5经历“急加速—急减速”过程，驱动风扇叶片14-9“急加速—急减速”转动，所产生的气流为脉动气流，此时在第一试验段2中可进行脉动风荷载试验。气流经第一拐角3、第一回流段4和第二拐角5进入不含阻尼网6-1的稳定段6，再经收缩段7和第二试验段8进入第一扩散段9，气流在扩散段中动能转化成压力能，能量损失减少。气流经第三拐角10进入第二扩散段11再次使动能转化成压力能，进一步减少能量损失。最后，气流经第四拐角12和第二回流段13进入电机14-5进口，完成一个循环过程，气流在洞体内作循环运动。
实施例2
当多风扇动力段1中的电机14-5处于某转速稳定工作时，驱动风扇叶片14-9保持相应转速转动，所产生的气流经过第一试验段2、第一拐角3、第一回流段4、第二拐角5进入稳定段6，经过蜂窝器6-2和两层阻尼网6-1后，气流变得均匀平直，脉动量减小，再经收缩段7加速后进入第二试验段8，此时在第二试验段8中可进行常规风荷载试验。气流从第二试验段8进入第一扩散段9，气流在扩散段中动能转化成压力能，能量损失减少。气流经第三拐角10进入第二扩散段11再次使动能转化成压力能，进一步减少能量损失。最后，气流经第四拐角12和第二回流段13进入电机14-5进口，完成一个循环过程，气流在洞体内作循环运动。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，风洞整体呈回字型，包括依次连接的多风扇动力段（1）、第一试验段（2）、第一拐角（3）、第一回流段（4）、第二拐角（5）、稳定段（6）、收缩段（7）、第二试验段（8）、第一扩散段（9）、第三拐角（10）、第二扩散段（11）、第四拐角（12）和第二回流段（13）。
2.根据权利要求1所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，所述多风扇动力段（1）包括呈M行N列排布的单风扇段（14）；所述单风扇段（14）由依次连接的集气段（14-1）、单风扇动力段（14-2）和过渡段（14-3）组成。
3.根据权利要求2所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，所述单风扇动力段（14-2）内部沿气流方向依次设置有整流罩前罩（14-4）、电机（14-5）、整流罩中罩（14-6）和整流罩尾罩（14-7）；整流罩前罩（14-4）外壁与单风扇动力段（14-2）的壳体内壁通过支撑片（14-8）连接；风扇叶片（14-9）与电机（14-5）输出轴连接；整流罩中罩（14-6）外壁与单风扇动力段（14-2）的壳体内壁通过止旋片（14-10）连接。
4.根据权利要求3所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，所述整流罩前罩（14-4）和整流罩尾罩（14-7）的外形曲线按流线型旋成体坐标值确定；整流罩中罩（14-6）为圆筒结构；整流罩尾罩（14-7）由整流罩中罩（14-6）沿气流方向逐渐缩小并密封。
5.根据权利要求1所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，所述第一试验段（2）内设置第一转盘（2-1），第二试验段（8）内设置第二转盘（8-1），第一试验段（2）与第二试验段（8）内均设置流场数据采集装置。
6.根据权利要求1所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，所述第一拐角（3）、第二拐角（5）、第三拐角（10）和第四拐角（12）内均设置导流片（15），导流片（15）的个数视拐角尺寸而定。
7.根据权利要求1所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，所述稳定段（6）包括阻尼网（6-1）和蜂窝器（6-2）；所述阻尼网（6-1）和蜂窝器（6-2）分别通过螺栓固定于稳定段（6）内壁。
8.根据权利要求1所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，所述第二回流段（13）内设有防护网（17），防护网（17）通过螺栓固定于第二回流段（13）内壁。
9.根据权利要求1所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞，其特征在于，所述多风扇动力段（1）、第一试验段（2）、第一拐角（3）、第一回流段（4）、第二拐角（5）、稳定段（6）、收缩段（7）、第二试验段（8）、第一扩散段（9）、第三拐角（10）、第二扩散段（11）、第四拐角（12）和第二回流段（13）之间通过法兰相互连接在一起。
10.一种采用根据权利要求7所述的回流式变频调速多风扇阵列风洞的试验方法，其特征在于，当第一试验段（2）处于脉动试验时，拆卸阻尼网（6-1）；当第二试验段（8）处于常规风场试验时，安装阻尼网（6-1）。
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