CN109632244A - 一种带旁路的直流吹式阵风风洞 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种带旁路的直流吹式阵风风洞，包括：依次连接的动力段、分流段、扩散段、稳定与收缩段、试验段和出口扩散段。其中，动力段上连通设置有旁路段，旁路段与动力段连通处设置有分流门，分流门在开启状态下，动力段中的气流可进入旁路段。旁路段内设置有节流阀，节流阀用于控制活动叶片进行有规律的运动，使旁路段阻塞面积发生变化，从而控制主通道气流分流进入旁路段中的流量，减少进入主通道扩散段的气流量，使试验段的气流速度产生周期性大小变化，形成与似然环境中类似的低频阵风。采用本发明的阵风风洞，能够实现产生低频率的阵风，可以模拟大气边界层中自然风的阵风效应，用以研究阵风对大气边界层中各种物理现象的影响。

Description

一种带旁路的直流吹式阵风风洞

技术领域

本发明涉及风工程技术领域，尤其涉及一种带旁路的直流吹式阵风风洞。

背景技术

边界层风洞，在风工程领域的研究中起着越来越重要的作用。边界层风洞具有模拟大气边界层流动的能力，能为研究大气污染物的扩散规律以及大跨度桥、高层建筑、塔等许多其他独特结构的安全设计研究提供技术支持。

边界层风洞按照气流的流动方向又可以分为吹出式风洞和吸入式风洞:吹出式风洞是以风机吹出的气流作为风洞的流动介质；而吸入式风洞则是通过风叶机片旋转形成的低压区,将空气吸入形成气流。两种类型的风洞应用范围都很广,但具体应用领域又有所不同,吸入式风洞由于风机在洞体末端,只能进行绕流、流场测定等非扬沙的风洞试验；而吹出式风洞不仅可以进行上述非扬沙风洞试验,还可以进行沙粒的起动风速、输沙率等扬沙试验。

然而，对于一些极端气象事件(诸如阵风锋、飓风等)非稳态气流占据主导作用时，普通边界层风洞缺少模拟这些事件瞬变效应的能力。因此，需要一种能产生阵性风效果的大气边界层风洞。

大气中的湍流，一般来说湍流尺度越大，那么湍流的频率就越低；尺度越大的障碍物产生的湍流尺度越大。常规大气边界层风洞通过尖劈和粗糙元产生的湍流，由于尖劈和粗糙元的尺度一般在0.1m左右，所以产生的湍流频率比较高。而实际大气中因为有高楼大厦、山坡、树林等尺度较大的障碍物的存在，所以湍流中低频部分的能量不容忽视，所以有必要在风洞中产生尺度较大、频率较低的脉动风，这样才能够跟真实的大气更吻合，这就是我们阵风风洞的设计意义。

目前，能产生阵性风效果的大气边界层风洞也可以称之为阵风风洞，一般是采用机械摆动机构或者调整风机转速来产生阵风。但是，以此种方式产生的阵风，其阵风频率较高。而大气边界层中的随机阵风的频率有高有低，因此，目前的阵风风洞无法完全模拟出大气边界层中的随机阵风。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明提出一种带旁路的直流吹式阵风风洞，以实现产生频率有高有低的阵风。

为解决上述问题，现提出的方案如下：

一种带旁路的直流吹式阵风风洞，包括：

依次连接的动力段、分流段、扩散段、稳定与收缩段、试验段和出口扩散段。其中：

所述动力段上连通设置有旁路段，所述旁路段与所述动力段连通处设置有分流门，所述分流门在开启状态下，所述动力段中的气流可进入所述旁路段。所述动力段上连通设置有旁路段，所述旁路段与所述动力段连通处设置有分流门，所述分流门在开启状态下，所述动力段中的气流可进入所述旁路段。所述旁路段内设置有节流阀，所述节流阀的开合可以控制气流进入所述旁路段的流量，从而在主通道处形成阵风。

可选地，所述旁路段包括两个，且对称设置于所述动力段的两侧。

可选地，所述节流阀包括：多个固定导流罩，其中，每个所述固定导流罩的端部设置有可开合的活动叶片。

可选地，每个所述固定导流罩的端部设置有一对可开合的活动叶片。

可选地，所述节流阀包括5个固定导流罩。

可选地，所述动力段、所述分流段、所述扩散段、所述稳定与收缩段、所述试验段、所述出口扩散段和所述旁路段为全钢结构。

可选地，所述旁路段包括：用于与所述动力段连通的前拐角段和后拐角段；和，连通所述前拐角段和后拐角段、且与所述动力段同轴向的旁路主段。其中，所述节流阀设置于所述旁路主段内部。

可选地，所述节流阀的控制方式包括：调控液压系统中的油压进而带动连接于所述节流阀的机械连杆的机械运动，实现控制所述节流阀的开合。

可选地，所述分流门的控制方式包括：调控液压系统中的油压进而带动连接于所述分流门的机械连杆的机械运动，实现控制所述分流门的开闭。

本发明公开的一种带旁路的直流吹式阵风风洞的主体包括：动力段、分流段、扩散段、稳定与收缩段、试验段和出口扩散段。动力段上设置有旁路段，起到将主通道气流进行分流的作用。旁路段与分流段的连通处设置有分流门，分流门绕轴线转动实现开合。分流门在开启状态下，产生于动力段的气流流经分流门处时有部分气流进入旁路段内，旁路段内设置有节流阀，节流阀上设有可以开合的活动叶片，通过活动叶片做周期性开合运动，使旁路段阻塞面积发生变化，从而控制主通道气流分流进入旁路段中的流量，减少进入主通道扩散段的气流量，使试验段的气流速度产生周期性大小变化，形成与似然环境中类似的低频阵风。相应地，未进入旁路段的大部分气流继续流向分流段的下游，最终在试验段中将气流转化成大小变化的低频阵风。由此可见，分流门处于打开状态时，本发明提供的阵风风洞能够产生于自然界频率类似的低频阵风，从而能够真实模拟出大气边界层中的随机阵风。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开一种带旁路的直流吹式阵风风洞的三维结构简图；

图2为本发明实施例公开旁路段回流部分的三维结构简图；

图3是本发明实施例公开的旁路段回流部分切面的三维结构简图；

图4是本发明实施例公开一种带旁路的直流吹式阵风风洞的二维结构简图；

图5是本发明实施例公开的旁路段回流部分切面的二维结构简图；

图6是本发明实施例公开的旁路段内节流阀闭合时的结构简图；

图7是本发明实施例公开的旁路段内节流阀打开时的结构简图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提出一种带旁路的直流吹式阵风风洞，以实现产生频率有高有低的阵风。

请参阅图1和图4，本发明实施例的阵风风洞包括：

依次连接的动力段101、分流段102、扩散段103、稳定与收缩段104、试验段105和出口扩散段106。具体的，上述各个独立的功能段可通过焊接或者螺接形成一个整体风洞。其中，动力段101上连通设置有旁路段107，旁路段107与动力段101连通处设置有分流门108。可选地，为了保证阵风风洞的结构稳定性，动力段101、分流段102、扩散段103、稳定与收缩段104、试验段105、出口扩散段106和旁路段107均为全钢材料制作。

其中，请参阅图3，动力段101中设置有风机罩子、变频电机、风扇109、止旋片112。风扇109设置在变频电机的前端。根据风扇109的位置以及气流流向将风机罩子分为前端风机罩110和后端风机罩子111。后端风机罩子111的内侧安装有变频电机，外侧设置有止旋片112。

请参阅图3，旁路段107与动力段101连通处设置的分流门108可以绕轴线转动，以实现开闭。分流门108在关闭状态下，阵风风洞为常规定常流速风洞，即动力段101中的风扇109产生的气流直接流经分流段102.、扩散段103、稳定与收缩段104、试验段105和出口扩段106，而且常规定常流速风洞基于内部结构特征只能通过试验段入口处摆放粗糙元、尖劈产生高频率的阵风。分流门108在开启状态下，动力段101中的风扇109产生的气流经过分流门108进入旁路段107。旁路段107内设置有节流阀113，节流阀通过调节活动叶片的开合程度，使旁路段阻塞面积发生变化，从而控制主通道气流分流进入旁路段中的流量，减少进入主通道扩散段的气流量，使试验段的气流速度产生周期性大小变化，形成与似然环境中类似的低频阵风。

本发明实施例中，阵风风洞的主体包括：动力段、分流段、扩散段、稳定与收缩段、试验段和出口扩散段。动力段上连通设置有旁路段，起到将主通道气流进行分流的作用。旁路段与分流段的连通处设置有分流门，分流门绕轴线转动实现开合。分流门在开启状态下，产生于动力段的气流流经分流门处时，部分气流分流进入旁路段内。旁路段内设置有节流阀，节流阀上设有可以开合的活动叶片，通过活动叶片有规律的开合运动使旁路段阻塞面积发生变化，从而控制主通道气流分流进入旁路段中的流量，减少进入主通道扩散段的气流量，使试验段的气流速度产生周期性大小变化，形成与似然环境中类似的低频阵风。相应地，未进入旁路段的大部分气流继续流向分流段的下游，基于下游段的内部结构特征改变气流的流场，从而在试验段中将气流转化成低频率的阵风。由此可见，分流门处于打开状态时，本发明提供的阵风风洞能够产生低频阵风，从而能真实模拟出大气边界层中的随机阵风。

常规边界层风洞在运行时，电机带动风扇转动产生气流，气流经过试验段上游的粗糙元时由于粗糙元的阻挡产生分离流(即湍流)。通常情况下粗糙元的尺寸较小(约0.1m量级)，故而常规边界层风洞试验段的湍流频率比较高、积分尺度比较小。实际大气边界层中的湍流频率覆盖范围比较广，既有频率比较高尺度比较小且容易耗散的湍流，也有频率比较低尺度比较大且不易耗散的湍流，常规边界层风洞仅能模拟前者，对于后者的模拟效果较差。常规定常流速风洞属于常规边界层风洞。

为了解决常规边界层风洞无法很好地模拟低频湍流的问题，本发明实施例的阵风风洞在常规边界层风洞的基础上增加了两个旁路通道。旁路通道与风洞之间通过分流门连接：当分流门关闭时，阵风风洞恢复为常规边界层风洞，通过粗糙元和尖劈产生频率比较高的湍流；当分流门开启时，风洞主通道中原本的气流会有一部分流入旁路通道中，这样主流段的气流量会减少，试验段的风速也会相应地减小。旁路通道的阻力越大，进入旁路的气流量就越小；旁路通道的阻力越小，则进入旁路的气流量就越大。在本发明中，旁路中设置了通过液压联动控制的节流阀，节流阀尾部的活动叶片能够周期性摆动从而影响旁路通道对气流的阻力，进而对试验段的风速产生影响。节流阀尾部的活动叶片的周期性摆动可以连续可调，最大摆动频率可达0.3Hz，相应地就能在试验段产生0.3Hz的脉动风，此脉动风即为低频湍流。相应地，剩余的气流流向主通道的下游时，基于布置在试验段上游的粗糙元的阻挡效应，使得气流的流场发生改变，从而产生频率比较高的湍流。综上所述，当分流门打开使得旁路段处于通路状态时，而且在试验段上游附近布置粗糙元，阵风风洞能够产生包含低频和高频湍流在内的范围较广的湍流谱，相比于常规边界层风洞更接近真实的大气边界层。

需要说明的是，由于本发明提供的阵风风洞为直流开口式风洞，风的产生是通过变频电机的旋转将外部静止空气加速吸入洞内，经过试验段后由出风口排出。而旁路段分流的气流是带有速度的，当分流门打开，旁路内的气流沿通道吹向变频电机上游再被吸入，可减少变频电机对静止空气的加速负荷，从而达到节能效果。

本发明实施例的阵风风洞在运行时，变频电机带动风扇转动得以产生气流，气流沿着主通道流经旁路段与分流段互通处时，液压系统通过联动机构控制分流门打开使得部分气流进入旁路段。同样通过液压联动控制节流阀后端活动叶片的摆动使气流产生周期性变化，从而控制流经旁路段内的气流量，并在动力段形成低频率的阵风。相应地，剩余的大部分气流沿着主通道流向布置有粗糙元的区间段时。其中，所述区间段包括试验段和试验段上游的稳定与压缩段。凸起的粗糙元改变气流流畅的走向，从而将气流转化成高频率的阵风。此外，分流门关闭时，气流没有再进入旁路段内循环。阵风风洞转化成常规定常风速直流吹式风洞。综上所述，本发明通过分流门的开合控制旁路段的分流效果。实质上根据分流效果决定了阵风风洞的功效。当分流门打开时，阵风风洞不同于常规边界层风洞，既可以利用旁路段内节流阀的调节作用将气流转化成低频阵风，又可以利用自身内部结构特征将气流转化成高频阵风。因此，本发明提供的阵风风洞在分流门开启实现旁路段分流效果的情况下，既可以产生低频阵风，又可以产生高频阵风。当分流门关闭时，阵风风洞恢复成常规定常风速直流吹式风洞，常规定常风速直流吹式风洞基于自身布置的粗糙元的阻挡效应只能产生高频的阵风。

需要说明的是，旁路段内设计循环回路主要目的是节能。旁路段分流的气流是带有速度的，当分流门打开，旁路内的气流沿通道吹向变频电机上游再被吸入，可减少变频电机对静止空气的加速负荷，从而达到节能效果。此外，本风洞为直流开口式风洞，风的产生是通过变频电机旋转将外部静止空气加速吸入洞内，经过试验段后由出风口排出。

可选地，为了保证主通道中流场的均匀度，旁路段107设置为两个，并对称设置在动力段101的两侧，以使两侧的旁路段107分流一致，减少因气流分配不均引起主通道流场均匀度差的问题。

可选地，在本申请的另一实施例中，如图2和图5所示，旁路段107包括：拐角前段114、旁路主段115、拐角后段116。其中，前拐角段114和后拐角段116均用于连通动力段101。旁路主段115的一端连通前拐角段114，另一端连通后拐角段116，且旁路主段115与动力段101同轴向，并且，节流阀113设置于旁路主段115内部。

可选地，在本申请的另一实施例中，如图3所示，拐角前段114和拐角后段116均设置了导流片117，用于引导气流的流向，以减少气流因流向骤变引起的能量损失。当分流门108打开时，拐角前段114将分流的气流光滑引入到旁路主段115，从而减少气流能量的损失。旁路主段115与动力段101轴向相互平行。旁路主段115内设的节流阀113，使主通道中的气流速度快速变化产生阵风。变化的气流再通过拐角后段116回流入动力段101并形成阵风。

可选地，本申请的另一实施例中，参见图6，节流阀113包括：多个固定导流罩118，其中，每个固定导流罩118的端部设置有可开合的活动叶片119。

可选地，每个固定导流罩118的端部设置的活动叶片119可以为一对。

可选地，节流阀包括5个固定导流罩118。

可选地，本申请的另一实施例中，参见图6和图7，节流阀113的控制方式包括：调控液压系统中的油压进而带动连接于节流阀113的机械连杆的机械运动，既可以实现控制节流阀113的活动叶片119的闭合，又可以实现控制节流阀113的活动叶片119的打开。

可选地，本申请的另一实施例中，分流门108的控制方式包括：调控液压系统中的油压进而带动连接于分流门108的机械连杆的机械运动，实现控制分流门108的开闭。

可选地，本申请的另一实施例中，动力段的后端风机罩子111上的止旋片112可以作为支架，起到支撑变频电机和风扇109以及后端风机罩子111的作用。

可选地，后端风机罩111在外侧且沿变频电机径向上设置多个止旋片112。

可选地，请参阅图4，本申请的另一实施例中，介于扩散段103与稳定与收缩段104之间的等径向段设置有蜂窝器120和阻尼网121，用于将上游不稳定的气流整流成小涡的气流。

可选地，本申请的另一实施例中调控节流阀113和分流门108的液压系统安装在阵风风洞的外侧。液压系统的控制终端也位于阵风风洞的外侧。此外，控制终端还可以通过变频器控制动力段101中的变频电机的转速。

专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点。

Claims (9)

1.一种带旁路的直流吹式阵风风洞，其特征在于，包括：依次连接的动力段、分流段、扩散段、稳定与收缩段、试验段和出口扩散段；其中，

所述动力段上连通设置有旁路段，所述旁路段与所述动力段连通处设置有分流门，所述分流门在开启状态下，所述动力段中的气流可进入所述旁路段；所述旁路段内设置有节流阀，所述节流阀的开合可以控制气流进入所述旁路段的流量，从而在主通道处形成阵风。

2.根据权利要求1所述的阵风风洞，其特征在于，所述旁路段包括两个，且对称设置于所述动力段的两侧。

3.根据权利要求1所述的阵风风洞，其特征在于，所述节流阀包括：多个固定导流罩；其中，每个所述固定导流罩的端部设置有可开合的活动叶片。

4.根据权利要求3所述的阵风风洞，其特征在于，每个所述固定导流罩的端部设置有一对可开合的活动叶片。

5.根据权利要求3所述的阵风风洞，其特征在于，所述节流阀包括5个固定导流罩。

6.根据权利要求1所述的阵风风洞，其特征在于，所述动力段、所述分流段、所述扩散段、所述稳定与收缩段、所述试验段、所述出口扩散段和所述旁路段为全钢结构。

7.根据权利要求1所述的阵风风洞，其特征在于，所述旁路段包括：

用于与所述动力段连通的前拐角段和后拐角段；

和，连通所述前拐角段和后拐角段、且与所述动力段同轴向的旁路主段；

其中，所述节流阀设置于所述旁路主段内部。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的阵风风洞，其特征在于，所述节流阀的控制方式包括：调控液压系统中的油压进而带动连接于所述节流阀的机械连杆的机械运动，实现控制所述节流阀的开合。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的阵风风洞，其特征在于，所述分流门的控制方式包括：调控液压系统中的油压进而带动连接于所述分流门的机械连杆的机械运动，实现控制所述分流门的开闭。