CN109799056B - 一种带有旁路的直流吸式阵风风洞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有旁路的直流吸式阵风风洞，其中旁路通道分两种，一种为带活动叶片的节流阀式，另一种为带弧形片的旋转截流门式,其技术要点在于当分流门与开合门同时关闭，此时风洞为直流吸式风洞。当分流门与开合门同时打开，且带活动叶片的节流阀或者旋转节流门运行时，原流经试验段的部分气流被旁路通道分流直接跳过试验段至扩散段经出口段直接流向外界，使得试验段的气流速度产生高低变化，产生阵风。同时通过调节节流阀活动叶片的开合频率或者调节旋转截流门的旋转速度，达到改变试验段中的阵风变化的速度。采用本发明的阵风风洞，可以产生与自然界风类似的阵风。

Description

一种带有旁路的直流吸式阵风风洞

技术领域

本发明涉及一种阵性风风洞实验装置，更具体地说，它涉及一种带有旁路的直流吸式阵风风洞。

背景技术

风洞简单地说就是一根经过特殊设计的长形管道，由动力系统(电动机和风扇)在其内部产生一股可以人为自由控制的气流,用它来模拟物体在空气中运动时空气的流动现象、物体受力的情况、空气绕某些固定物体的绕流现象以及烟气在空气中的迁移、扩散现象等”。

空气污染，又称为大气污染，按照国际标准化组织(ISO)的定义，空气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现象。

在研究大气污染时发现影响空气污染的因素较多，除了污染源因素外,还受地形地貌因素影响。平原地区的受污染范围与山区受污染范围明显不同；气候因素如风向、风速、湍流程度、湿度等。另外,由于这些因素存在错综复杂的内在牵联,也使时间因素变得更加重要,如冬季与夏季的大气污染特征存在明显的区别。对于从事大气污染研究的工作者来说，研究地区的社会环境因素也是一个问题,如交通，最佳的采样点工作人员去不了的情况经常遇到等等。所有这些因素,常常影响实验精度和实验进度,带来较大的物力和财力损失,这些都是有目共睹的。举个简单的例子，一季为期15天的气象探测及8个监测采样点的本底调查,其现场试验费用将达到3万元左右。如果是进行更为详细的研究实验,如现场释放示踪剂研究和大气流场研究,其费用将高达数十万元甚至上百万元。

采用大气边界层环境风洞实验手段，上述问题将得到不同程度的解决。如前所述,大气边界层环境风洞的模拟条件可以人为控制和变化,对于所研究的环境条件具有重复性能力。也就是说影响现场实验的因素如时间、气候、交通等将不再干扰风洞模拟实验。而且实验所消耗的人力、物力和财力都得到了较大程度的节省。

概括起来,大气边界层环境风洞可以为两个方面的工作服务；其一,从环境保护管理角度看,它可以为厂址选择、总图布置等工矿企业的规划设计工作服务:也可以为重点污染源的卫生防护带的确定工作服务；在复杂地形小尺度(小于10km)范围内代替现场实测工作,为大气环境质量的评价和预测工作服务；另外,它可以为现场实测的布置、采样点的确定工作提供参考资料,为数值计算工作提供参考数据。其二,从大气污染机理的研究角度看，它可以开展地形、地物、局地流场及湍流扩散规律对大气污染的影响研究,开展不同污染物排放条件和环境背景条件下烟气抬升规律的研究等工作服务。

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，普通大气边界层环境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环境风洞。

为了使风洞实验中的气流产生阵性效果，传统的方法，如前人使用过的机械摆动栅格或翼型机构有个缺点，大气边界层环境风洞是在流场很均匀的风洞内加入尖劈和粗糙元来模拟大气边界层的风廓线，如果在这个基础上再加个格栅，那么实验段的风速和湍流度将会很难控制，使得实验段的风速大小都无法控制。使用改变变频器控制风扇转速产生阵性，需要风扇无法达到运转的最佳条件，并要求突然改变所需要的电功率。同时由于动力段的风扇的直径较大，通常有几米长，这意味着风扇的转动惯量非常大，所以风扇的转速调整比较慢，使得产生速度变化所要求的时间尺度(在1～5s内改变试验段速度的25％)不可能实现。而自然环境中的风速改变的速率都是瞬时的，因此，目前的风洞无法完全模拟出自然风。

关于大气中的湍流，首先需要知道几点关系：一般湍流尺度越大，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。常规大气边界层环境风洞通过尖劈和粗糙元产生的湍流，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边界层环风环境更吻合。

实际环境中产生高污染的前提是环境风速接近于静止或者很低的气象条件，因为只有在这种环境中，排放的污染物不能被扩散开，导致局部地区的重污染。因此需要在风洞实验时模拟出风速接近于零并且风环境稳定的气象条件。直流吹式不适合的主要原因在于其动力段位于试验段上游，风机风扇在低速转动时多叶片间的空隙较大会产生固定频率的阵性效果，同时风在通过动力段向下扩散时会产生多方向的乱流导致风环境不稳定。回流式风洞由于其闭口回流的特性导致在进行污染物实验时，污染源释放后无法排放到实验环境外，使得试验段的本底污染浓度不断叠加增高，阻碍了实验的测量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一发明目的在于提供一种带有旁路的直流吸式阵风风洞，其具有模拟自然环境中的自然风，能够产生频率有高有低的阵风。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

带有旁路的直流吸式阵风风洞，包括出口段、动力段、扩散段、试验段、收缩段和稳定段，所述动力段一端连接与外界相通的出口段，动力段另一端连接着扩散段，试验段一端与扩散段连接，另一端与收缩段连接，收缩段一侧连接着稳定段，稳定段的另一侧连接着两道阻尼网，阻尼网的一端与蜂窝器相连，蜂窝器与外界连通，其特征在于：还设置有旁路通道，其中旁路通道一端与扩散段连接另一端与收缩段连接。

进一步地，所述旁路通道与扩散段的连接处设置有开合门，旁路通道与收缩段的连接处设置有分流门。

进一步地，所述旁路通道中设置有节流阀，所述截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截流阀的机械连杆的机械运动，实现控制所述截流阀的开闭。

进一步地，所述节流阀包括若干个活动叶片和固定导流罩，其中固定导流罩固定设置在旁路通道中，并且每个固定导流罩上都活动连接有活动叶片，相邻两个固定导流罩上的活动叶片能够通过开合影响旁路通道中的气流通量。

进一步地，所述旁路通道中设置有旋转截流门。

进一步地，所述旋转截流门包括旋转轴和弧形片，旋转轴(218)轴向与旁路通道中的风向垂直，弧形片与旋转轴固定连接并且能够随旋转轴转动而转动，通过控制弧形片在旁路通道内阻挡的面积大小，来控制旁路通道中的气流通量。

进一步地，所述旋转轴与带有齿轮的电机相连接，通过电机带动旋转轴转动从而实现控制所述旋转截流门在旁路通道中的开闭。

进一步地，当分流门和开合门关闭时，旁路通道停止运行；当分流门和开合门开启时，旁路通道开始运行。

进一步地，所述动力段还设置有依次连接的后端风机罩、止旋片、风扇和前端风机罩，并且后端风机罩朝向出口段，前端风机罩朝向扩散段。

进一步地，所述出口段、动力段、扩散段、试验段、旁路通道、收缩段、稳定段、分流门和开合门为全钢结构。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、阵风风洞选取直流吸式的方式更有利于精确模拟污染物扩散，其原因在于将动力段放在试验段的下游成为直流吸式使得试验段的气流为负压，被动向下游出口段排出，能够有效降低风扇转动对试验段流场产生的不稳定的干扰，污染物从出口排放后也不会对试验段测量数据产生影响；

2、本次发明的旁路通道，旁路通道是阵风风洞最创新的部分。大多数风洞，气流速度都是通过调节风扇的转数改变的，这使试验段速度的改变比较慢。然而通过调节旁路通道中的节流阀或者是旋转节流门，几乎瞬间改变试验段中气流速度形成风速大小变化的阵风，能够更准确地模拟出实际大气边界层中自然风，这种类型的非稳恒的流动模拟非常重要，它开辟了新领域，为非稳恒流动空气动力学的研究提供了试验机会。

通过控制该通道的分流量，使主试验段中速度变化量始终处于合理的范围。旁路通道设计为两个矩形通道，这两个通道的尺寸受到建筑物尺寸的严格限制。在给定的空间内尽可能将它们设计得大些。这两个旁路通道在风扇外面，与主通道平行，最优的旁路通道面积经计算略小于主试验段面积并在一定的数值范围内最佳。其次，旁路通道以及附属的转换段必须使风洞主通道中产生的气流不均匀性最小。

3、当开合门和分流门同时开启，旁路通道为通路，活动叶片做开合运动，风量的大小随活动叶片的运动不断发生改变，形成带有阵性效果的阵风风洞。当开合门和分流门同时闭合，旁路通道为闭路，活动叶片闭合停止工作，阵风风洞转化成常规定常风速直流吸式风洞。这就使本设计能够实现阵风风洞和常规风洞的两用效果，在实际使用时可以根据试验需求自行切换，达到多用途的目的。

附图说明

图1为本发明实施例1中风洞运行时风洞结构示意图；

图2为本发明实施例1中风洞运行时动力段各部件位置示意图；

图3为本发明实施例1中旁路通道气流通量最小时节流阀各部件位置示意图；

图4为本发明实施例1中旁路通道气流通量最大时节流阀各部件位置示意图；

图5为本发明实施例2中风洞运行时旋转截流门位置示意图；

图6为本发明实施例2中旁路通道气流通量最小时旋转截流门各部件位置示意图；

图7为本发明实施例2中旁路通道气流通量最大时旋转截流门各部件位置示意图；

图8为自然风、常规风洞、阵风风洞风速变化对比图；

图9为阵风风洞模拟软风、和风、强风风速变化示意图；

图10为活动叶片开合幅值周期变化导致的风速变化示意图之一；

图11为活动叶片开合幅值周期变化导致的风速变化示意图之二。

图中：101、稳定段；102、收缩段；103、试验段；104、扩散段；105、动力段；106、出口段；109、风扇；110、后端风机罩；111、前端风机罩；112、止旋片；114、分流门；115、旁路通道；116、节流阀；117、开合门；118、固定导流罩；119、活动叶片；120、蜂窝器；121、阻尼网；216、旋转截流门；218、旋转轴；219、弧形片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

本发明实施例提出一种带有旁路的直流吸式阵风风洞，以实现产生频率有高有低的阵风。如图1所示本发明实施例的吸式直流阵风风洞在运行时，风机带动风扇109转动得以产生气流，气流沿着主通道流经收缩段102与旁路通道115互通处时，液压系统通过联动机构控制分流门114打开使得主通道的部分气流在动力段101风机运动后产生的吸力影响下吸进旁路通道115。同样通过旁路通道115内节流阀116中活动叶片119的开合来使旁路通道中气流通量产生变化后通过开合门117进入到与旁路通道115互通的扩散段104，进而使流经试验段103内的气流量瞬间发生改变，形成风速大小变化的阵风。当通过计算机调整节流阀116中活动叶片119的开合速度就能在试验段103中产生频率有高低变化的阵风。此外，分流门114和开合门117关闭时，气流没有再进入旁路通道115内。阵风风洞转化成常规定常风速直流吸式风洞。

综上所述，本发明通过增设旁路通道115实现分流效果，使得主通道试验段内的风速大小发生改变，进一步再利用旁路通道115内节流阀116中活动叶片119运动速度的调节产生频率有高有低阵风。相应地，关闭分流门114和开合门117时，阵风风洞变成常规定常风速直流吸式风洞，利用其内部结构设计进而将气流转变成常规风。

如图2所示，本发明带有旁路的直流吸式阵风风洞，旁路通道115包括由开合门117、节流阀116、分流门114。分流门114位于扩散段104与旁路通道115的连接处，当分流门114和开合门117关闭时，旁路通道115停止运行，节流阀116关闭，阵性风变为常规风。

当分流门114和开合门117同时开启时，旁路通道115开路运行，节流阀116开启，如图4所示；动力段105风机带动风扇109提供源源不断的风力流向节流阀116。节流阀116工作时，活动叶片119随之运动呈开合运动状态，就能控制分流进旁路通道的气流量，从而在试验段103中产生阵风。当活动叶片119的开合速度进行快慢变化后就能在试验段103中产生频率有高有低变化的阵风。气流通过旁路通道115源源不断地进入扩散段104。通过控制节流阀116上的活动叶片119的开合速度来控制阵性风变化周期的大小。

本实施例部件尺寸如下：总体长度53m，试验段103：2.5m*2m*16m(长)，动力段105：φ5.1m*9.1m(长)，旁路通道115：2m*4.5m*15m(长)，风扇109叶尖至叶尖的直径为5.07m，轮毂直径2.65m。

本实施例中进一步设计为当旁路通道115为通路时，活动叶片119张开，当旁路通道115为闭路时，活动叶片119停止运行。风量的大小随活动叶片119的摆动而不断发生变化。

本实施例中进一步设计为对应风扇109由400kW交流变频调速三相380V的交流电机驱动。

本实施例中进一步设计为对应开合门117和分流门114的位置，还设置有定位锁紧装置。

本实施例中进一步设计为对应开合门117和分流门114的位置还设置有密封装置。

本实施例中进一步设计为所述出口段106、动力段105、扩散段104、试验段103、旁路通道115、收缩段102稳定段101、开合门117和分流门114为全钢结构。

实施例2：

本实施例是将实施例1中的节流阀116替换成旋转截流门216，旋转截流门216包含弧形片219和旋转轴218。旋转轴218轴向与旁路通道115中的风向垂直，弧形片219与旋转轴218固定连接并且能够随旋转轴218转动而转动，通过控制弧形片219对旁路通道115内阻挡的面积大小，来控制旁路通道115中的气流通量。弧形片219可通过旋转轴218进行旋转；通过控制旋转轴218的旋转来带动弧形片219的旋转，从而改变试验段103中风速的大小从而形成风速大小变化的阵风。

其原理如下：如图5所示本发明实施例的直流吸式阵风风洞在运行时，风机带动风扇109转动得以产生气流，气流沿着主通道流经收缩段102与旁路通道115互通处时，液压系统通过联动机构控制分流门114打开使得部分气流进入旁路通道115。同样通过旁路通道115内旋转截流门216中弧形片219绕旋转轴218的转动来使旁路通道中气流的流通量产生变化，进而将流经旁路通道115内的气流形成阵风。此外，分流门114关闭时，气流没有再进入旁路通道115内排出。阵风风洞转化成常规定常风速直流吸式风洞。

当旁路通道115风量最小时，弧形片219的位置如图6所示，当旁路通道115风量最大的，弧形片219的位置如图7所示，弧形片219随着旋转轴218不停的转动，弧形片219在旁路通道115内阻挡面积不断发生改变从而旁路通道115中的通风量也不断随之改变。此时，气流经开合门117流向扩散段104。扩散段104一侧与动力段105相连。动力段105包括后端风机罩110、止旋片112、风扇109和前端风机罩111。风扇109位于风机的前端。基于风扇109位置以及气流流向将风机罩子分为前端风机罩111和后端风机罩110。后端风机罩110外侧设置有止旋片112。动力段105与出口段106连接，将气流排出。

本实施例中进一步设计为旋转轴218轴向与旁路通道115中的风向垂直，弧形片219与旋转轴218固定连接并且能够随旋转轴218转动而转动，通过控制弧形片219在旁路通道115内阻挡的面积大小，来控制旁路通道115中的气流流量。

本实施例中进一步设计所述旋转轴218与带有齿轮的电机相连接，通过电机带动旋转轴218转动从而实现控制所述旋转截流门216的运动。

自然界的风速有时增大，有时减小。利用专业测速仪器我们发现在不同时间尺度下，自然界的风速变化存在不同频率。依据《QXT51-2007地面气象观测规范第7部分风向和风速观测》的规定，地面气象观测中，从给定时段内选取任意10mi n的平均风速最大值，作为该时间的最大风速。这个“给定时段”可能是日、月、旬等。与旬相比，日的观测频率要高一些，波动同时会大一些。但是和风工程领域相比，这个时间尺度就太长了。专业的风工程测量仪器1秒钟的测量频率可以达到千次，这个已经运用到实际测量中。

近地层的自然风剖面是由于大气的大尺度的涡旋运动地面摩擦共同作用形成的，为了在风洞内部模拟大气边界层风场，主要是通过摆放尖劈和粗糙元来实现的。尖劈的主要作用是在风洞中形成较大尺度的涡旋，粗糙元则相当于实际地面的粗糙物，通过此方法可以模拟不同地貌特征的平均风速和湍流度剖面。但是随着风工程试验要求不断提高,模型比例不断增大,在风洞中调试大气边界层风场越来越复杂。

通过专业仪器测量可以发现，当气流通过尖劈和粗糙元后会在1s内产生高频波动，这与实际环境中的风的特性很接近。但是将时序拉长至10s、30s、1分钟后会发现自然风还存在周期较长、幅度较大的阵性大小变化，这是目前传统风洞无法模拟的。其原因在于风洞内的气流虽然在1s内速度波动很剧烈，但基本围绕动力段给定的已知风速值上下波动的，经过长时间测量平均后会发现其风速变化不大，无法模拟出自然界阵风的低频效果。为了能更准确地模拟自然界的阵风，我们设计并发明了阵风风洞。本次发明的阵风风洞不仅能够产生频率较高的波动，还能在给定周期内产生低频变化的阵风效果，弥补了常规风洞无法模拟自然界阵风的低频变化效果如图8所示。

经过实际测量可知，在对自然风大小变化的阵性模拟中阵风风洞可以更好的模拟出其短时间内低频段的瞬时变化效果。由对比图可知，在30s内阵风风洞的模拟结果与自然界阵风效果基本一致。当然本对比图列出的自然风风谱只是其变化比较均匀的一部分，当自然界风速低如微风环境时，风速大小变化比较低且周期变化缓慢；当自然界风速很高如强风环境时，风速大小变化较高且周期变化迅速。

通过对旁路段中的节流阀或者旋转截流门的运行速度进行控制后还可以得到不同的低频波动，其波动效果可以与环境风速不同级别的风速相对应。同时由于液压系统活塞运动使连杆的运动周期趋向于正弦，故通过其调整节流阀运动后使试验段风速产生正弦变化。

利用风速测量仪测量后可以发现，所测结果趋向于三角函数y＝Asin(ωx)+b。其中A为振幅，ω为周期即为活动叶片的开合频率，当开合频率较低时产生的风速正弦变化周期较慢，当开合频率较高时产生的风速正弦变化周期较快；v_max为当旁路打开且活动叶片张开时旁路所经气流最小，而主通道试验段气流速度最大时的风速，v_min为当旁路打开且活动叶片全闭合时旁路所经气流量最大，而主通道试验段气流速度最小时的风速，b＝A+v_min。其目的就是通过阵性风洞将传统风洞中较平稳的风形成风速瞬时大小变化的阵风，更贴近于室外自然界形成的风。当活动叶片的开合幅值f不满量程时，及叶片张开和闭合时不到最大限值(不张到最大，不闭到最小)原有正弦效果就会减弱三角锯齿波形的阵风。所需波形可根据实际试验需求，调节频率ω和幅值f得到。

本发明风洞的最大风速可达50m/s，本次选取日常环境常见风速进行测量，最大风速设定为15m/s，对于大风至强台风的测量数据在日后进行实验补充。受限于控制系统目前变化最快速度是每秒变化10次，更快速的变化需要今后对设备性能提升，如图9所示。

当控制节流阀活动叶片的开合幅值，使其运动的第一个周期从张开最大值到闭合最大，第二个周期运动张开次大到闭合次大，依次减小幅值至开闭的中间值时，会使试验段周期性变化效果叠加其幅值的衰减递增效果具体见图10。

当控制节流阀活动叶片的开合幅值，使其运动的第一个周期从张开最大值到闭合最大，第二个周期运动张开最大到闭合次大，依次减小闭合幅值，直至全闭后再依次增大闭合幅值做周期性运动，会使试验段周期性变化效果叠加其闭合幅值的衰减递增效果，同理可得张开幅值的衰减递增效果具体见图11。

Claims (6)

1.一种带有旁路的直流吸式阵风风洞，包括出口段(106)、动力段(105)、扩散段(104)、试验段(103)、收缩段(102)和稳定段(101) ，所述动力段(105)一端连接与外界相通的出口段(106) ，动力段(105)另一端连接着扩散段(104) ，试验段(103)一端与扩散段(104)连接，另一端与收缩段(102)连接，收缩段(102)一侧连接着稳定段(101) ，稳定段(101)的另一侧连接着两道阻尼网(121)，阻尼网的一端与蜂窝器(120)相连，蜂窝器(120)与外界连通，其特征在于：还设置有旁路通道(115) ，其中旁路通道(115)一端与扩散段(104)连接另一端与收缩段(102)连接；所述旁路通道(115)与扩散段(104)的连接处设置有开合门(117)，旁路通道(115)与收缩段(102)的连接处设置有分流门(114)；所述旁路通道(115)中设置有节流阀（116），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闭；所述节流阀(116)包括若干个活动叶片(119)和固定导流罩(118) ，其中固定导流罩(118)固定设置在旁路通道中，并且每个固定导流罩(118)上都活动连接有活动叶片(119)，相邻两个固定导流罩(118)上的活动叶片(119)能够通过开合影响旁路通道(115)中的气流通量；所述旁路通道(115)中设置有旋转截流门(216)。

2.根据权利要求1所述的带有旁路的直流吸式阵风风洞，其特征在于：所述旋转截流门(216)包括旋转轴(218)和弧形片(219)，旋转轴(218)轴向与旁路通道(115)中的风向垂直，弧形片(219)与旋转轴(218)固定连接并且能够随旋转轴(218)转动而转动，通过控制弧形片(219)在旁路通道(115)内阻挡的面积大小，来控制旁路通道(115)中的气流通量。

3.根据权利要求2所述的带有旁路的直流吸式阵风风洞，其特征在于：所述旋转轴(218)与带有齿轮的电机相连接，通过电机带动旋转轴(218)转动从而实现控制所述旋转截流门(216)在旁路通道(115)中的开闭。

4.根据权利要求1所述的带有旁路的直流吸式阵风风洞，其特征在于：当分流门(114)和开合门(117)关闭时，旁路通道(115)停止运行；当分流门(114)和开合门(117)开启时，旁路通道(115)开始运行。

5.根据权利要求1所述的带有旁路的直流吸式阵风风洞，其特征在于：所述动力段(105) 还设置有依次连接的后端风机罩(110)、止旋片(112) 、风扇(109) 和前端风机罩(111)，并且后端风机罩(110)朝向出口段(106)，前端风机罩(111)朝向扩散段(104)。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的带有旁路的直流吸式阵风风洞，其特征在于：所述出口段(106)、动力段(105)、扩散段(104)、试验段(103)、旁路通道(115)、收缩段(102)、稳定段(101)、分流门(114)和开合门(117)为全钢结构。