CN109799057A - 一种回流两用阵性风洞 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种回流两用阵性风洞，其技术要点在于第一回流段与第一扩散段处设置有分流单元，第二回流段两侧连接拐角处设置有导流片单元，第二回流段内外壁两端均设有开合门；当第二回流段两端的开合门同时关闭时，风洞闭路运行；当第二回流段内外壁两端的开合门同时打开，风洞开路运行，此时可加载分流单元，使得部分气流经分流单元流向外界，同时通过百叶门的转动控制分流单元处气流向外界的排出量，实现瞬间使风洞试验段的风速产生大小变化。

Description

一种回流两用阵性风洞

技术领域

本发明属于风洞实验装置，涉及一种回流两用阵性风洞。

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。

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。

为了使试验段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。

这就要说到大气中的湍流，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更吻合。

目前国内实验用边界层风洞有两种类型，一种是闭路回流式风洞，另一种是开路直流式风洞。前者可以较低的功率产生较大的气流速度，且气流基本不受外界影响，气流性能较好；后者结构较简单，且模拟大气污染物扩散时，不会产生示踪剂本地浓度不断增大的弊端。而在进行沙尘实验时，使用直流吸式和回流式会使砂砾被气流带入动力段损坏风机，只有在开口吹式风洞才适合进行沙尘等试验。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明采用简单易行的方式，设计一种回流两用阵性风洞，可实现大型边界层风洞的闭路、开路两用。

本发明的具体技术方案如下：

一种回流两用阵性风洞，通过以下各段依次连接形成闭合回路，包括：动力与风扇段，第一扩散段，第一回流段，稳定与收缩段，试验段，第二扩散段和第二回流段；其中，所述第一回流段两侧连接拐角处设置有导流片单元，第一回流段和第二回流段的两侧连接拐角处均设置有导流片单元，其特征在于：第一回流段与第一扩散段处设置有分流单元，第二回流段两端均设有气门，分别为进气门和排气门，其中进气门设置在第二回流段与动力与风扇段的连接处，第二回流段两拐角处的导流片单元均为活动式；当第二回流段两端的进气门和出气门同时关闭时，风洞闭路运行；当第二回流段两端的气门同时打开时，风洞开路运行。

进一步地，分流单元包括分流门、百叶门和中空框体。

进一步地，百叶门为可活动式,并可绕轴转动，实现向内和向外开合；百叶门上设置有叶片，气流可从叶片间缝隙中流出，分流门为实体门，调控齿轮机电系统中带动连接于所述分流门的旋转轴，实现控制所述分流门的开闭，调控齿轮机电系统中带动连接于所述百叶门的机械连杆的机械运动，实现控制所述百叶门的开闭。

进一步地，第二回流段两端的进气门和出气门都安装在第二回流段外壁上，并可绕轴转动，实现向内和向外开合，两个气门的尺寸大小与回流段截面积相等。

进一步地，第二回流段两拐角处的导流片单元底部设置有线型滚动导轨副，导流片单元通过该线型滚动导轨副能够平移至第二回流段内部。

进一步地，第二回流段两端的气门为两用门，闭路运行时，两气门关闭；开路运行时，所述两导流片单元先移至第二回流段内部，两气门分别向内开将导流片单元隔离在第二回流段内，并在第二回流段两侧形成开路。

本发明的另一技术方案如下：

一种回流两用阵性风洞，通过以下各段依次连接形成闭合回路，包括：动力与风扇段，第一扩散段，第一回流段，稳定与收缩段，试验段，第二扩散段和第二回流段；其中，所述第一回流段两侧连接拐角处设置有导流片单元，第二回流段两侧连接拐角处设置有导流片单元，其特征在于：第一回流段与第一扩散段连接处设置有分流单元；所述闭合回路位于第二回流段的外壁上设置有第一封闭门，内壁上设置有第二封闭门。

进一步地，第一封闭门和第二封闭门为可活动式,并可绕轴转动，实现向第二回流段内开合。

进一步地，第一封闭门和第二封闭门关闭时，风洞回路运行；第一封闭门和第二封闭门向内并拢时，风洞开路运行。

进一步地，动力与风扇段，第一扩散段，分流单元(13)，第一回流段，稳定与收缩段，试验段，第二扩散段及第二回流段为全钢结构。

本发明相比现有技术具有如下有益效果：

1.本发明的回流两用阵性风洞，该风洞可在大型风洞中实现对大气边界层中不同风工程项目(如风压风振、风环境、空气污染、物质传输等)的模拟，而不必担心示踪剂的累积效应造成的本底浓度升高，而影响模拟实验的准确性，有益于实际工程应用；

2.本发明的回流两用阵性风洞在闭路方式运行时，可以较低功率，获得较高气流速度，用于模拟大气边界层中由空气流动引起的各种风效应；

3.本发明的回流两用阵性风洞以开路方式运行时，可以模拟大气边界层中的污染物扩散，从而避免闭路运行时示踪剂本底浓度不断升高带来的模拟实验误差不断增大的弊端；

4.本发明的回流两用阵性风洞还可通过控制第二回流段的开闭实现开闭回路系统的转换；

5.本发明的回流两用阵性风洞该装置以开路方式运行时，可通过控制分流单元百叶门的开闭，以及打开后门缝的大小，达到分流主通道中气流流量的效果，从而使通过试验段的气流产生大小变化，从而模拟出与自然风类似的阵风效应。

附图说明

图1本发明实施例1中风洞回路运行时风洞的结构示意图；

图2本发明实施例1中风洞开路运行时风洞的结构示意图；

图3本发明实施例1中分流单元闭路运行时各部件位置示意图；

图4本发明实施例1中分流单元开路运行时各部件位置示意图；

图5本发明实施例2中两封闭门向外关闭时回路示意图；

图6本发明实施例2中两封闭门向内开启时开路示意图；

图7本发明实施例2中两封闭门向内开启时第二回流段示意图；

图8本发明实施例2中两封闭门向外关闭时第二回流段示意图；

图9为自然风、常规风洞、阵风风洞风速对比图；

图10为不同档位下分流门的风速对比图。

其中:1、动力与风扇段；2、第一扩散段；3、第一回流段；4、稳定与收缩段；5、试验段；6、第二扩散段；7、第二回流段；8、进风口；9、出风口；10、导流片单元；11、进气门；12、出气门；13、分流单元；14、百叶门；15、中空框体；16、分流门；18.第一封闭门；19、第二封闭门。

具体实施方式

实施例1

本发明实施例提出回流两用阵性风洞，以实现产生频率有高有低的阵风。

如图1所示，回流两用阵性风洞，主要包括动力与风扇段1，第一扩散段2，分流单元13，第一回流段3，稳定与收缩段4，试验段5，第二扩散段6，第二回流段7。在动力与风扇段1的上游设置进风口8及进气门11，在第二扩散段6的下游设置出风口9和出气门12。

动力与风扇段1，第一扩散段2，分流单元13，第一回流段3，稳定与收缩段4，试验段5，第二扩散段6及第二回流段7可采用全钢结构。

第一回流段3两侧连接拐角处设置有导流片单元10，第二回流段7两侧连接拐角处设置有导流片单元10。参照图2和图3分流单元13百叶门14为可活动式,并可绕轴转动，实现向内和向外开合。当百叶门14向外开合时，分流门16闭合，风洞内部形成一个闭路系统。当导流片单元10移到回流段内部，进气门11和出气门12向内打开形成开路，同时百叶门14向内开合时，分流门16向内形成开路，风洞内，部分气流经百叶门14控制后从中空单元15向风洞外界排出，可起到分流主通道气流的，从而使试验段的气流量发生变化，形成阵风。

第二回流段7两端均设有气门，第二回流段7两拐角处的导流片单元10均为活动式；当第二回流段7两端的气门同时关闭时，风洞闭路运行；当第二回流段7两拐角处的导流片单元10移至第二回流段7内部，第二回流段7两端的开合门同时打开时，风洞开路运行。

第二回流段7两端的气门为两用门，闭路运行时，两门关闭；开路运行时，两导流片单元10先移至第二回流段7内部，两气门分别向内开将导流片单元10隔离在第二回流段7内，并在第二回流段7两侧形成开路。

进气门11和出气12均可以绕轴转动，实现开闭。闭路运行时，它们分别将进气口和出气口封闭，而导流片单元10位于两个拐角处，实现闭路回流运行功能。当导流片单元10推移到第二回流段7的中间位置，进气门11和出气门12各向洞内旋转90度，进气口和排气口与风洞的主通道连通，第二回流段7被隔离，实现开路运行功能。当风洞以开路方式运行时，先将两组导流片单元10推到该回流段的中部，然后将进风口8和出风口9的门各旋转90度，将第二回流段封死。

本实施例中，进一步设计为：回流式闭路开路两用风洞，第二回流段7两端的气门安装在第二回流段7外壁上，并可绕轴转动，实现向内和向外开合。

本实施例中，进一步设计为：第二回流段7两拐角处的导流片单元10底部设置有线型滚动导轨副，导流片单元10通过该线型滚动导轨副平移至第二回流段7内部。

本实施例中，进一步设计为：分流单元13中百叶门14安装在中空框体15上，并可绕轴转动，实现向内向外开合。

本实施例中，进一步设计为：分流单元13的中空框体15位置，还分别设置有定位锁紧装置。

本实施例中，进一步设计为：分流单元13的中空框体15与分流门16位置，还分别设置有密封装置。

本实施例中，进一步设计为：分流门16为实体门。

本实施例中，进一步设计为：对应进气门11和出气门12的位置，还分别设置有定位锁紧装置。

本实施例中，进一步设计为：对应进气门11和出气门12的位置还分别设置有密封装置。

本实施例中，进一步设计为：所述气门尺寸与回流段截面积相当，当开路运行时，两气门被密闭隔离在第二回流段7内。

本实施例中，进一步设计为：分流单元13百叶门14的控制方式包括：调控齿轮机电系统中带动连接于所述旋转截流门的旋转轴，实现控制所述旋转截流门的开闭。

实施例2

本发明实施例主要将实施里例1中的出气门12和进气门11替换为第二回流段7内外表面两封闭门，通过控制封闭门的开闭来进行风洞开闭式的转化。本回流阵风风洞主要由以下各段依次连接形成闭路，包括：动力与风扇段1，第一扩散段2，第一回流段3，稳定与收缩段4，试验段5，第二扩散段6和第二回流段7。

如图5所示，在第二回流段7外表面设置第一封闭门18，在第二回流段7内表面设置第二封闭门19。第一封闭门18和第二封闭门19均为实体门。动力段与风扇段1，第一扩散段2，第一回流段3，稳定与收缩段4，试验段5，第二扩散段6及第二回流段7可采用全钢结构。

第一回流段3两侧连接拐角处设置有导流片单元10，第二回流段7两侧连接拐角处设置有导流片单元10，第二回流段7两拐角处的导流片单元10均为固定式；当第二回流段7两端的封闭门同时关闭时，风洞闭路运行；当第二回流段7两端的封闭门同时向风洞内并拢打开时，风洞开路运行。两封闭门贴合在一起如图6所示，并在第二回流段7两侧形成开路。

如图7所示，当第一封闭门18和第二封闭门19同时向内打开时，两门紧紧贴合在一起，第二回流段7两侧形成开路，气流直接从第二扩散段6流向外界。当第一封闭门18和第二封闭门19同时关闭时，第二回流段7两侧形成通路如图8所示。气流从第二扩散段6流向动力段，风洞回路形成。

本实施例中，进一步设计为：第一封闭门18和第二封闭门19可同时开启，同时关闭。

本实施例中，进一步设计为：第一封闭门18和第二封闭门19为实木实体门。

本实施例中，进一步设计为：第一封闭门18和第二封闭门19还分别设置有定位锁紧装置和密封装置。

本实施例中，进一步设计为：第二回流段7两封闭门的控制方式包括：调控齿轮机电系统中带动连接于所述旋转截流门的旋转轴，实现控制所述旋转截流门的开闭。

本实施例中，进一步设计为：分流单元13百叶门14的控制方式包括：调控齿轮机电系统中带动连接于所述旋转截流门的旋转轴，实现控制所述旋转截流门的开闭。

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10min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。

当本发明的回流调节为开路吹式风洞且加载分流单元后，可以使主通道部分气流通过分流单元向外界排流。在此基础上控制分流单元内百叶门的开闭可以调节分流单元向外界排流的流量大小，从而使通过试验段的气流产生大小变化，最终模拟出与自然风类似的阵风效果。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。由图9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。

在此基础上，如图10所示调节分流门向风洞内打开的深度，可以调节分流单元对于主通道气流的分流量从而使振幅变大。

Claims (10)

1.一种回流两用阵性风洞，通过以下各段依次连接形成闭合回路，包括：动力与风扇段(1)，第一扩散段(2)，第一回流段(3)，稳定与收缩段(4)，试验段(5)，第二扩散段(6)和第二回流段(7)；其中，所述第一回流段(3)两侧连接拐角处设置有导流片单元(10)，第一回流段(3)和第二回流段(7)的两侧连接拐角处均设置有导流片单元(10)，其特征在于：第一回流段(3)与第一扩散段(2)处设置有分流单元(13)，第二回流段(7)两端均设有气门，分别为进气门(11)和排气门(12)，其中进气门(11)设置在第二回流段(7)与动力与风扇段(1)的连接处，第二回流段(7)两拐角处的导流片单元(10)均为活动式；当第二回流段(7)两端的进气门(11)和出气门(12)同时关闭时，风洞闭路运行；当第二回流段(7)两拐角处的导流片单元(10)向第二回流段内(7)移动后，两端的气门同时打开时，风洞开路运行。

2.根据权利要求1所述的回流两用阵性风洞,其特征在于：所述分流单元(13)包括分流门(16)、百叶门(14)和中空框体(15)。

3.根据权利要求2所述回流两用阵性风洞，其特征在于：百叶门(14)为可活动式,并可绕轴转动，实现向内和向外开合；百叶门(14)上设置有叶片，气流可从叶片间缝隙中流出，分流门(16)为实体门，调控齿轮机电系统中带动连接于所述分流门的旋转轴，实现控制所述分流门(16)的开闭，调控齿轮机电系统中带动连接于所述百叶门(14)的机械连杆的机械运动，实现控制所述百叶门(14)的开闭。

4.根据权利要求1所述回流两用阵性风洞,其特征在于：所述第二回流段(7)两端的进气门(11)和出气门(12)都安装在第二回流段(7)外壁上，并可绕轴转动，实现向内和向外开合，两个气门的尺寸大小与回流段截面积相等。

5.根据权利要求1所述回流两用阵性风洞,其特征在于：所述第二回流段(7)两拐角处的导流片单元(10)底部设置有线型滚动导轨副，导流片单元(10)通过该线型滚动导轨副能够平移至第二回流段(7)内部。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的回流两用阵性风洞，其特征在于：所述第二回流段(7)两端的气门为两用门，闭路运行时，两气门关闭；开路运行时，所述两导流片单元(10)先移至第二回流段(7)内部，两气门分别向内开将导流片单元(10)隔离在第二回流段(7)内，并在第二回流段(7)两侧形成开路。

7.一种回流两用阵性风洞，通过以下各段依次连接形成闭合回路，包括：动力与风扇段(1)，第一扩散段(2)，第一回流段(3)，稳定与收缩段(4)，试验段(5)，第二扩散段(6)和第二回流段(7)；其中，所述第一回流段(3)两侧连接拐角处设置有导流片单元(10)，第二回流段(7)两侧连接拐角处设置有导流片单元(10)，其特征在于：第一回流段(3)与第一扩散段(2)连接处设置有分流单元(13)；所述闭合回路位于第二回流段(7)的外壁上设置有第一封闭门(18)，内壁上设置有第二封闭门(19)。

8.根据权利要求7所述回流两用阵性风洞,其特征在于：所述第一封闭门(18)和第二封闭门(19)为可活动式,并可绕轴转动，实现向第二回流段(7)内开合。

9.根据权利要求8所述回流两用阵性风洞,其特征在于：所述第一封闭门(18)和第二封闭门(19)关闭时，风洞回路运行；第一封闭门(18)和第二封闭门(19)向内并拢时，风洞开路运行。

10.根据权利要求1或7所述回流两用阵性风洞,其特征在于：动力与风扇段(1)，第一扩散段(2)，分流单元(13)、第一回流段(3)，稳定与收缩段(4)，试验段(5)，第二扩散段(6)及第二回流段(7)为全钢结构。