CN108303230A - 一种用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，属于风力发电领域，包括设置在风洞壁上沿来流风方向设置的X轴向滑道，设置在X轴向滑道之间的Y轴向滑道，以及固定在Y轴向滑道上的夹持装置；所述Y轴向滑道和夹持装置均分别设有一个以上，夹持装置用于将被测物体固定在Y轴向滑道上和用于改变被测物体的固有频率；所述Y轴向滑道和X轴向滑道用于调节被测物体的位置，以及用于调节被测物体之间的距离。本发明能实现被测物体在XY两个方向的振动；试验段的滑道可沿风洞壁的滑道调整位置，并可设置多个夹持装置，从而提供物体不同位置的相互干扰，进一步模拟真实的发电环境，能方便有效研究风能收集器。

Description

一种用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统
技术领域
本发明属于风力发电领域，具体涉及一种用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统。
背景技术
风能是可再生能源中比较好开发的一种能源，具有资源丰富、可预测性大、无污染的特点而备受世界各国的关注。但是，相对于其他绿色能源来说，风能又具有较高的随机性和不确定性，在使用风力发电系统时，由于风能的不确定性，会使得风能发电效率受到很大影响。继而本着通过优化双自由度气弹实验装置，来找到一种能有效提高风能发电效率的试验装置。
在风工程领域，一般将空气流场中结构体的风致振动的机理分为颤振、抖振、涡激振动和驰振4类。为从自然环境中自动获取风能实现并给无线传感器和通讯模块供电，有大量的学者基于涡激振动原理设计了一种压电自发电装置。通常只对位于该自发电装置内的压电悬臂梁复合结构进行力学分析。但风致振动是一种复杂的气动弹性力学问题，结构体在空气流场的作用下发生振动，而振动的结构体会反过来引起流场变化，流场的变化又会进一步导致作用于结构上的气动力的改变，这就形成了结构体与气流之间的相互耦合机制，这种机制称为流固耦合。流固耦合问题是气动弹性力学中重要的一块，它并不能通过简单的势流理论来解决，而需要多学科的理论分析和严谨的实验相结合的方法进行研究。
申请人发现大部分利用结构体的风致振动的机理实现机械能转化为电能的装置并没有考虑上文提到的气动弹性力学问题，没有基于计算流体力学数值方法，对绕流圆柱后附加不同板长条件下的流场动力学特性进行分析，以明确悬臂梁长度对脱涡频率和升力、阻力系数的影响规律。少量考虑了气动弹性力学问题的风洞实验装置的设计中，基本停留在一维平面下单一的试验，没有研究二维平面两个方向的振动，也没有实现快捷方便的改变实验装置的自由度(X、Y、Z方向和模型角度的改变)，以及模型不同位置的干扰。
一般风洞试验主要包括多点瞬态风压同步测量模型试验(刚性模型测压试验)、高频动态天平试验(刚性模型测力试验)、气动弹性模型试验。其中，气动弹性模型被认为是最为精确的实验方式；它可较为全面真实地模拟风与结构的耦合作用。因此为了提高风能收集器的发电效率，申请人设计了一套考虑气动弹性力学问题的风洞试验的测试系统。
发明内容
为了解决现有风能收集器发电效率低和振动模式单一等技术问题，本发明提供一种用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，优化了实验段用来固定模型的夹持装置，在风洞壁(X轴向)上和试验段(Y轴向)分别设置滑道，被测物体的夹持装置可滑动连接在试验段的滑道上，实现物体两个方向的振动；试验段的滑道可沿风洞壁的滑道调整位置，并可设置多个夹持装置，从而提供物体不同位置的相互干扰，进一步模拟真实的发电环境，能方便有效研究风能收集器。
本发明通过下述技术方案来实现：一种用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，包括设置在风洞壁上沿来流风方向设置的X轴向滑道，设置在X轴向滑道之间的Y轴向滑道，以及固定在Y轴向滑道上的夹持装置；所述Y轴向滑道和夹持装置均分别设有一个以上，夹持装置用于将被测物体固定在Y轴向滑道上和用于改变被测物体的固有频率，被测物体在X、Y两个方向上产生振动；所述Y轴向滑道和X轴向滑道用于调节被测物体的位置，以及调节被测物体之间的距离。
优选地，所述夹持装置包括固定组件，固定组件包括安装块和螺纹结构，螺纹结构与被测物体的末端连接后连接至安装块，安装块固定在Y轴向滑道。
优选地，所述夹持装置还包括角度调节组件，角度调节组件包括底座、调节件和钢珠，底座的顶部设有凹槽，底座的底部向下延伸出一段中空的连接头，中空的连接头与安装块连接；调节件的底部设有与底座顶部的凹槽相匹配的滚珠卡槽，调节件的中间开有螺纹槽，螺纹槽用于实现螺纹结构的上下移动以调节调节被测物体的固有频率；钢珠放置在底座顶部的凹槽上，通过转动调节件来使得钢珠转到不同的滚珠卡槽，改变被测物体的安装角度。
优选地，所述安装块设有安装孔，螺纹结构与被测物体的末端连接后穿过安装块的安装孔。
优选地，所述安装块设有安装孔，螺纹结构与被测物体的末端连接后穿过安装块的安装孔；所述中空的连接头嵌入安装块的安装孔内，螺纹结构穿过中空的连接头进入调节件内的螺纹槽。
优选地，所述被测物体呈条状结构，末端通过钢尺与螺纹结构连接。所述被测物体为棱形横截面的钝体模型、圆形横截面的钝体模型或方形横截面的钝体模型。
优选地，所述用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统还包括图像处理分析系统和设置在风洞底部的照相机，照相机用于采集各被测物体的试验图片，并将试验图片发送给图像处理分析系统，在图像处理分析系统内运用图像处理技术测定被测物体的振动。
从以上技术方案可知，本发明设计了双自由度气动弹性模型，结构简单、方便调试、外形适用性好，且刚度、质量、振型均可以调节，可以通过分析在相同风荷载不同固有频率下测试物体的振动强度，进而来判断实现最大风能利用率的条件。相对于现有技术，本发明技术方案具有如下的优点及有益效果：
1、在风洞壁(X轴方向)上设置滑道，在试验段(Y轴方向)设置直尺滑道，被测物体的夹持装置可滑动连接在试验段的直尺滑道上，试验段的直尺滑道可沿风洞壁的滑道调节位置，本发明从而能够根据实验需要对模型位置进行控制，即控制模型在X、Y平面内移动，实现了X、Y轴的自由度调节，以调节模型的刚度和振型曲线变化，来研究发现出一种最优风能发电方案。
2、模型的夹持装置为设置在水平方向(沿Y轴方向)上的圆柱块，夹持装置设置了通心孔，孔的内壁设有用于固定钢尺的螺纹，同时可以将钢尺顺着螺纹在竖直方向(沿Z轴方向)进行上下移动，以调节钢尺的长度，从而改变实验模型的固有频率。可用不同的材料和不同形状的模型代替钢尺达到改变模型的刚度，方便选择发电模型，继而提高风能转换效率。
3、可在试验段设置多条直尺滑道，以夹持不同的被测物体，从而实现不同坐标(X,Y,Z)下，模型之间的干扰实验。
4、圆柱块的夹持装置能在XY平面内提供一个绕Z轴旋转的自由度，可以间接的提供不同大小值的风向角，以方便地根据实验研究需求改变模型的角度，来获得风能收集器不同角度的风能收集率。
5、气动弹性模型结构的风致振动便于获取识别，在模型的底部嵌入一个红外线发射器，可以用安置在风洞底部的高速摄像机来捕捉模型的顶部位移。
附图说明
图1是本发明双向振动风洞试验的测试系统的分段示意图；
图2是本发明双向振动风洞试验的测试系统实验段的立体结构示意图；
图3是本发明滑道及夹持装置的连接示意图之一；
图4是本发明滑道及夹持装置的连接示意图之二；
图5是夹持装置的结构示意图；
图6是夹持装置的分解图；
图7是被测物体与钢尺的连接示意图，其中a的钝体横截面为棱形，b的钝体横截面为圆形，c的钝体横截面为方形。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，风洞试验的测试系统包括三个区间，分别为试验装置的来流风3、试验装置的试验段2和试验装置的出气段1；本发明的测试系统的主要设备设置在试验段2内，可以实现被测物体，即实验模型，在X、Y两个方向上的振动。
如图2所示，本发明设置在试验段2内的主要部件包括在风洞壁24上沿来流风方向设置的X轴向滑道22，设置在X轴向滑道之间的Y轴向滑道21，固定在Y轴向滑道上的夹持装置23，以及固定在风洞底部的高速拍照相机25；本发明还包括图像处理分析系统26，设置在风洞壁外面。其中，Y轴向滑道21和夹持装置23均设有多个，夹持装置用于夹持被测物体，即模型，如图3、4所示。
当模拟环境风况到达被测物体(即夹持在夹持装置的模型)附近，根据流体特性发生涡脱落，产生涡激共振；Y轴向滑道和X轴向滑道可以将夹持装置沿着XY两个方向移动，以研究在同一风荷载下不同位置被测物体的振动情况，进而研究风能收集器的发电效率。其次可以在Y轴向滑道上设置多个相同的夹持装置，每个夹持装置安装一个相同的模型，通过Y轴向上的直尺滑道和风洞壁上的滑道来调节模型之间的距离，用来研究相同情况下，沿Y轴方向上不同位置的风能收集器的干扰情况，进而对研究风能收集器空间位置的分布对风能收集率的影响。
夹持装置用于将被测物体固定在Y轴向滑道上，同时用于改变被测物体的刚度，即固有频率。如图5所示，夹持装置23包括固定组件和角度调节组件。固定组件包括安装块234和螺纹结构235，模型呈条状结构且末端通过钢尺与螺纹结构连接，螺纹结构与模型的末端连接后穿过安装块的安装孔236；安装块为一块刚性材料，通过螺母和垫片固定在Y轴向滑道上，松开螺母则安装块可以进行Y方向的移动，拧紧螺母则将其固定在Y轴向滑轨上。角度调节组件包括底座232、调节件231和钢珠233，底座232的顶部设有凹槽，底座232的底部向下延伸出一段中空的连接头237，中空的连接头237嵌入安装块的安装孔内，螺纹结构235穿过中空的连接头237进入调节件231中间开设的螺纹槽；调节件231的底部设有与底座顶部的凹槽相匹配的滚珠卡槽，调节件的中间开设的螺纹槽用于实现螺纹结构的上下移动，从而调节钢尺的长度，以调节模型的固有频率。钢珠233放置在底座顶部的凹槽上，通过转动调节件231来使得钢珠转到不同的滚珠卡槽，继而改变模型的安装角度。
在风洞底部设置了高速照相机25，采集各模型的试验图片，并将试验图片发送给图像处理分析系统26；在图像处理分析系统内运用相关的图像处理技术测定被测物体的振动。
本实施例将实验模型固定在图7所示的钢尺上，钢尺也可以用其他刚性材料来代替；图7中，a为棱形横截面的钝体模型，b为圆形横截面的钝体模型，c为方形横截面的钝体模型，通过不同横截面形状的钝体模型来试验在来流风相同情况下的振动区别，可以切换不同形状的模型，方便找出一种更优化的模型装置，进行风能发电。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，包括设置在风洞壁上沿来流风方向设置的X轴向滑道，设置在X轴向滑道之间的Y轴向滑道，以及固定在Y轴向滑道上的夹持装置；所述Y轴向滑道和夹持装置均分别设有一个以上，夹持装置用于将被测物体固定在Y轴向滑道上和用于改变被测物体的固有频率，被测物体在X、Y两个方向上产生振动；所述Y轴向滑道和X轴向滑道用于调节被测物体的位置，以及用于调节被测物体之间的距离。
2.根据权利要求1所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述夹持装置包括固定组件，固定组件包括安装块和螺纹结构，螺纹结构与被测物体的末端连接后连接至安装块，安装块固定在Y轴向滑道。
3.根据权利要求2所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述夹持装置还包括角度调节组件，角度调节组件包括底座、调节件和钢珠，底座的顶部设有凹槽，底座的底部向下延伸出一段中空的连接头，中空的连接头与安装块连接；调节件的底部设有与底座顶部的凹槽相匹配的滚珠卡槽，调节件的中间开有螺纹槽，螺纹槽用于实现螺纹结构的上下移动以调节调节被测物体的固有频率；钢珠放置在底座顶部的凹槽上，通过转动调节件来使得钢珠转到不同的滚珠卡槽，改变被测物体的安装角度。
4.根据权利要求2所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述安装块设有安装孔，螺纹结构与被测物体的末端连接后穿过安装块的安装孔。
5.根据权利要求3所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述安装块设有安装孔，螺纹结构与被测物体的末端连接后穿过安装块的安装孔；所述中空的连接头嵌入安装块的安装孔内，螺纹结构穿过中空的连接头进入调节件内的螺纹槽。
6.根据权利要求2所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述被测物体呈条状结构，末端通过钢尺与螺纹结构连接。
7.根据权利要求1所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述被测物体为棱形横截面的钝体模型。
8.根据权利要求1所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述被测物体为圆形横截面的钝体模型。
9.根据权利要求1所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述被测物体为方形横截面的钝体模型。
10.根据权利要求1所述的用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述用于风能收集器双向振动风洞试验的测试系统还包括图像处理分析系统和设置在风洞底部的照相机，照相机用于采集各被测物体的试验图片，并将试验图片发送给图像处理分析系统，在图像处理分析系统内运用图像处理技术测定被测物体的振动。
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