CN109269757B - 一种用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于实验设备技术领域，具体涉及一种用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，包括水平设置的进气管、上扩散腔、下扩散腔、分离腔、收集腔、集沙盒和楔形外壳；所述进气管用于收集外界试验风洞中的风沙流；所述上扩散腔与进气管的末端连通，上扩散腔用于实现风沙流的初步扩散；所述下扩散腔与上扩散腔后端下侧连通，所述下扩散腔按照从上到下的方向呈扩散趋势，所述下扩散腔用于实现风沙流的二次扩散；所述分离腔与下扩散腔的下端连通，所述分离腔用于实现风沙流的三次扩散及风沙分离；所述收集腔与分离腔的下端连通，所述收集腔用于收集从分离腔分离的沙尘。本发明以提高集沙仪的集沙性能和风蚀风洞实验数据的可靠性。

Description

一种用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪

技术领域

本发明属于实验设备技术领域，具体涉及一种用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪。

背景技术

土壤风蚀是发生于干旱、半干旱地区及部分半湿润地区土地荒漠化的首要环节。研究和防治土壤风蚀，必须掌握风蚀地表的风沙流结构，而集沙仪是研究风沙流结构的必备仪器。集沙仪分为风蚀风洞用集沙仪和野外观测用集沙仪，两者区别主要在于是否设计导向装置。因为野外工况复杂多变，风向不定，这就要求集沙仪进气口时刻对准来流方向，导向装置起关键作用；而风蚀风洞只产生一个方向的气流，集沙仪进气口对准来流方向即可，无需设计导向装置。

风蚀风洞主要用于模拟自然风及风暴在天然地表上进行风蚀测量的研究，是土壤风蚀研究的重要工具。风蚀风洞除了产生稳定的实验气流外，还要模拟风沙流，这就要求风蚀风洞具备较好的风沙流结构，而风蚀风洞用集沙仪就是用于测定风蚀风洞内风沙流结构的专用集沙仪。

当风沙流进入集沙仪时，若气流速度大幅度降低，则气流拖曳力就会随之低于沙尘重力，气流无力拖动沙尘，风沙发生分离，故大幅度降低风沙流速度是高效分离风沙的最有效方法。

此外，当集沙仪放置于风蚀风洞时，若集沙仪迎风面占风洞截面积的比例较大，则会在集沙仪前方形成大范围的停滞流场,迫使气流在集沙仪前方发生偏移，降低集沙仪进气口的等动力性，影响风蚀风洞实验数据的可靠性。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，以提高集沙仪的集沙性能和风蚀风洞实验数据的可靠性。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，包括水平设置的进气管、上扩散腔、下扩散腔、分离腔、收集腔、集沙盒和楔形外壳。

所述进气管用于收集外界试验风洞中的风沙流；所述上扩散腔与进气管的末端连通，上扩散腔用于实现风沙流的初步扩散；

所述下扩散腔与上扩散腔后端下侧连通，所述下扩散腔按照从上到下的方向呈扩散趋势，所述下扩散腔用于实现风沙流的二次扩散；

所述分离腔与下扩散腔的下端连通，所述分离腔用于实现风沙流的三次扩散及风沙分离；

所述收集腔与分离腔的下端连通，所述收集腔用于收集从分离腔分离的沙尘；收集腔的横截面积按照从上到下的顺序收缩，对沙尘起到收缩加速的作用，有利于沙尘的快速收集。

所述集沙盒储存从收集腔下落的沙尘。集沙盒的上端壁面倾斜，可以防止小颗粒沙尘从集沙盒重返至分离腔。

进一步，所述进气管的横截面为等截面方形。等截面设计可保证进气口的等动力性，方形设计可便于计算进气口宽度上的实际输沙量。

进一步，所述上扩散腔包括扩散段及回流段，所述扩散段腔体的开口按照远离进气管的方向依次变大，所述回流段包括向着远离进气管方向突出的侧壁，多个侧壁交叉倾斜设置以便于引导气体形成旋流，旋流与后续来风沙流对冲，实现再次降速。

进一步，所述下扩散腔与扩散段后端下侧连通，所述下扩散腔、分离腔、收集腔及集沙盒的轴线相同且按照从上到下的顺序依次连接。

进一步，所述分离腔中部设有垂直于分离腔轴线的扰流网，扰流网不会阻碍沙尘的降落，但可以对未分离的小颗粒沙尘进行干扰，起到提高风沙分离效果的作用。

所述分离腔中设有排气管，所述排气管包括水平段与倾斜段，倾斜段的进气端穿过分离腔侧壁伸入分离腔中，倾斜段的进气端位于分离腔轴线位置；所述倾斜段的出气端与水平段连通，水平段与外界环境连通。这种设置可以扰动风沙流，促进风沙的快速分离，提高风沙分离效果；而且当小颗粒沙尘随尾气进入排气管时，在斜长的排气管内逐渐降速，风沙会进一步分离，沙尘又落回分离腔，防止了小颗粒沙尘随尾气排出。

进一步，还包括楔形外壳，所述上扩散腔、下扩散腔、分离腔、收集腔及集沙盒均设置在楔形外壳中。

进一步，所述分离腔的侧壁固定连接有管套的一端，所述管套的另一端竖直向下设置，所述楔形外壳上设有多个安装口，所述安装口分为进气管安装口、排气管安装口和管套安装口，所述进气管、排气管和管套分别穿过对应的安装口。

进气管、排气管和丝管将楔形外壳三点固定，可以提高楔形外壳受风力影响时的稳定性。

进一步，所述管套向下穿过管套安装口后伸出楔形外壳，所述管套中设有内螺纹，管套的下端连接有丝杠，所述丝杠的下端与底座固定连接。丝杠与管套的配合可以调节集沙仪中进气管的风沙流采集高度。

进一步，所述楔形外壳的横截面为楔形结构，所述进气管设置在楔形外壳的两个侧面的夹角位置，楔形外壳中与进气管背离的侧面与进气管垂直。进气管处的夹角位置为前端迎风面，与进气管相背离的侧面为背风面，这种设计可以消除集沙仪迎风面的停滞流场，提高进气口的等动力性。夹角位置的迎风面处设有所述进气管安装孔。

进一步，所述楔形外壳中与进气管相背离的侧面设有自由门，所述自由门的开闭实现楔形外壳内腔中各部件的安装与防护；所述自由门上设有圆孔，所述排气管的水平段穿过圆孔后伸入外界环境中。

所述进气管横截面积大于排气管横截面积，这种设置能够形成扩容趋势，有利于气流降速。

本发明的有益效果：

本发明将楔形外壳、进气管、上扩散腔、下扩散腔、排气管、分离腔、扰流网、收集腔、集沙盒、丝管、丝杠和底座组合应用，既可消除集沙仪外壳对流场的干扰，提高进气口的等动力性和风蚀风洞实验数据的可靠性，又可高效分离风沙，提高集沙仪的集沙性能，还可根据需要调节采集高度，满足不同风速、不同采集高度时风沙流结构的测定要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明的整体结构示意图主视图；

图2为本发明的整体结构示意图俯视图；

图3为本发明中楔形外壳内腔中各结构的示意图；

图4为本发明中扰流网的结构示意图；

图5为本发明的风沙分离原理示意图。

图中：1、楔形外壳；101、扩散段；102、回流段；2、进气管；3、上扩散腔；4、下扩散腔；5、排气管；6、分离腔；7、扰流网；8、收集腔；9、集沙盒；10、丝管；11、丝杠；12、底座。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的一种典型实施方式中，如图1-5所示：一种用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，包括水平设置的进气管2、上扩散腔3、下扩散腔4、分离腔6、收集腔8、集沙盒9和楔形外壳1。

所述进气管2用于收集外界试验风洞中的风沙流；所述上扩散腔3与进气管2的末端连通，上扩散腔3用于实现风沙流的初步扩散；

所述下扩散腔4与上扩散腔3后端下侧连通，所述下扩散腔4按照从上到下的方向呈扩散趋势，所述下扩散腔4用于实现风沙流的二次扩散；

所述分离腔6与下扩散腔4的下端连通，所述分离腔6用于实现风沙流的三次扩散及风沙分离；

所述收集腔8与分离腔6的下端连通，所述收集腔8用于收集从分离腔6分离的沙尘；收集腔8的横截面积按照从上到下的顺序收缩，对沙尘起到收缩加速的作用，有利于沙尘的快速收集。

所述集沙盒9储存从收集腔8下落的沙尘。集沙盒9的上端壁面倾斜，可以防止小颗粒沙尘从集沙盒9重返至分离腔6。

所述进气管2的横截面为等截面方形。等截面设计可保证进气口的等动力性，方形设计可便于计算进气口宽度上的实际输沙量。

所述上扩散腔3包括扩散段101及回流段102，所述扩散段101腔体的开口按照远离进气管2的方向依次变大，所述回流段102包括向着远离进气管2方向突出的侧壁，多个侧壁交叉倾斜设置以便于引导气体形成旋流，旋流与后续来风沙流对冲，实现再次降速。

所述下扩散腔4与扩散段101后端下侧连通，所述下扩散腔4、分离腔6、收集腔8及集沙盒9的轴线相同且按照从上到下的顺序依次连接。

所述分离腔6中部设有垂直于分离腔6轴线的扰流网7，扰流网7不会阻碍沙尘的降落，但可以对未分离的小颗粒沙尘进行干扰，起到提高风沙分离效果的作用。

所述分离腔6中设有排气管5，所述排气管5包括水平段与倾斜段，倾斜段的进气端穿过分离腔6侧壁伸入分离腔6中，倾斜段的进气端位于分离腔6轴线位置；所述倾斜段的出气端与水平段连通，水平段与外界环境连通。这种设置可以扰动风沙流，促进风沙的快速分离，提高风沙分离效果；而且当小颗粒沙尘随尾气进入排气管5时，在斜长的排气管5内逐渐降速，风沙会进一步分离，沙尘又落回分离腔6，防止了小颗粒沙尘随尾气排出。

所述上扩散腔3、下扩散腔4、分离腔6、收集腔8及集沙盒9均设置在楔形外壳1中。

所述分离腔6的侧壁固定连接有管套的一端，所述管套的另一端竖直向下设置，所述楔形外壳1上设有多个安装口，所述安装口分为进气管2安装口、排气管5安装口和管套安装口，所述进气管2、排气管5和管套分别穿过对应的安装口。

进气管2、排气管5和丝管10将楔形外壳1三点固定，可以提高楔形外壳1受风力影响时的稳定性。

所述管套向下穿过管套安装口后伸出楔形外壳1，所述管套中设有内螺纹，管套的下端连接有丝杠11，所述丝杠11的下端与底座12固定连接。丝杠11与管套的配合可以调节集沙仪中进气管2的风沙流采集高度。

所述楔形外壳1的横截面为楔形结构，所述进气管2设置在楔形外壳1的两个侧面的夹角位置，楔形外壳1中与进气管2背离的侧面与进气管2垂直。进气管2处的夹角位置为前端迎风面，与进气管2相背离的侧面为背风面，这种设计可以消除集沙仪迎风面的停滞流场，提高进气口的等动力性。夹角位置的迎风面处设有所述进气管2安装孔。

所述楔形外壳1中与进气管2相背离的侧面设有自由门，所述自由门的开闭实现楔形外壳1内腔中各部件的安装与防护；所述自由门上设有圆孔，所述排气管5的水平段穿过圆孔后伸入外界环境中。

所述进气管2横截面积大于排气管5横截面积，这种设置能够形成扩容趋势，有利于气流降速。

工作原理：当使用本装置进行风沙流中风沙分离时，将进气管2伸入风洞中，风洞中的风沙沿着进气管2进入上扩散腔3中，风沙流首先在上扩散腔3的扩散段101进行扩散，然后风沙流的一部分直接进入下扩散腔4中，另一部分风沙流冲击回流段102的侧壁后改变方向，形成回旋流。旋流与沿正常方向前进的风沙流发生碰撞，进一步降低风沙流的速度后流入下扩散腔4中。

风沙流在下扩散腔4中继续扩容降速，风沙流速度降低导致气流对沙尘的拖曳力降低，气流与沙尘发生分离，气流从排气管5排出，沙尘受重力的作用下沉到收集腔8中，下沉到收集腔8中的沙尘最后通过集沙盒9储存。

在安装本装置时，先打开自由门，将进气管2、上扩散腔3、下扩散腔4、分离腔6、收集腔8及集沙盒9放入楔形外壳1的内腔空间中，将进气管2穿过进气管2安装孔，管套穿过管套安装孔，然后闭合自由门并使得排气管5穿过自由门上的排气管5安装口，使得楔形外壳1与内部各部件实现三点定位。

管套的下端穿出楔形外壳1后与丝杠11通过螺纹连接，通过旋转楔形外壳1实现管套与丝杠11的螺纹配合，进而实现进气管2的升降。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，包括，

水平设置的进气管，所述进气管用于收集外界试验风洞中的风沙流；

上扩散腔，所述上扩散腔与进气管的末端连通，上扩散腔用于实现风沙流的初步扩散；

下扩散腔，所述下扩散腔与上扩散腔后端下侧连通，所述下扩散腔用于实现风沙流的二次扩散；

分离腔，所述分离腔与下扩散腔的下端连通，所述分离腔用于实现风沙流的三次扩散及风沙分离；

收集腔，所述收集腔与分离腔的下端连通，所述收集腔用于收集从分离腔分离的沙尘；

集沙盒，所述集沙盒储存从收集腔下落的沙尘；

所述分离腔中部设有垂直于分离腔轴线的扰流网，所述分离腔中设有排气管，所述排气管包括水平段与倾斜段，倾斜段的进气端穿过分离腔侧壁伸入分离腔中，倾斜段的进气端位于分离腔轴线位置；所述倾斜段的出气端与水平段连通，水平段与外界环境连通。

2.根据权利要求1所述的用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，所述进气管的横截面为等截面方形。

3.根据权利要求1所述的用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，所述上扩散腔包括扩散段及回流段，所述扩散段腔体的开口按照远离进气管的方向依次变大，所述回流段包括向着远离进气管方向突出的侧壁，多个侧壁交叉倾斜设置以便于引导气体形成旋流。

4.根据权利要求3所述的用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，所述下扩散腔与扩散段后端下侧连通，所述下扩散腔、分离腔、收集腔及集沙盒的轴线相同且按照从上到下的顺序依次连接。

5.根据权利要求1所述的用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，还包括楔形外壳，所述上扩散腔、下扩散腔、分离腔、收集腔及集沙盒均设置在楔形外壳中。

6.根据权利要求5所述的用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，所述分离腔的侧壁固定连接有管套的一端，所述管套的另一端竖直向下设置，所述楔形外壳上设有多个安装口，所述安装口分为进气管安装口、排气管安装口和管套安装口，所述进气管、排气管和管套分别穿过对应的安装口。

7.根据权利要求6所述的用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，所述管套向下穿过管套安装口后伸出楔形外壳，所述管套中设有内螺纹，管套的下端连接有丝杠，所述丝杠的下端与底座固定连接。

8.根据权利要求6所述的用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，所述楔形外壳的横截面为楔形结构，所述进气管设置在楔形外壳的两个侧面的夹角位置，楔形外壳中与进气管背离的侧面与进气管垂直。

9.根据权利要求8所述的用于风蚀风洞实验的升降式楔形集沙仪，其特征在于，所述楔形外壳中与进气管相背离的侧面设有自由门，所述自由门的开闭实现楔形外壳内腔中各部件的安装与防护；所述自由门上设有圆孔，所述排气管的水平段穿过圆孔后伸入外界环境中。

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