CN109799059B - 一种带有旁路的直流回流两用阵风风洞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有旁路的直流回流两用阵风风洞，主要由以下各段依次连接形成闭路，包括：动力与风扇段，第一扩散段，第一回流段，旁路段，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，所述稳定与收缩段入口两侧连接旁路段一端，并设有分流门所述第二扩散段与第二回流段连接处两侧连接旁路段另一端，且设有合流门，所述第二回流段两侧连接拐角处设置有导流片单元，第二回流段两端均设有开合门，第二回流段两拐角处的导流片单元均为活动式。本发明通过调节节流阀活动叶片的开合频率，从而改变试验段阵风变化的速度。采用本发明的阵风风洞可以产生与自然界相近的阵风。
Description
技术领域
本发明属于阵性风风洞实验装置，涉及一种带有旁路的直流回流两用阵风风洞的模拟装置。
背景技术
目前我国深入进行风工程的研究十分必要。其一是风灾害为自然灾害中最严重、最频繁的一种,每年给我国及许多国家造成着巨大损失,并且随着极端气候现象增多,风灾害也呈逐渐加剧的趋势。其二是我国正在进行大规模的土木工程建设,已经建成和正在建设大量的风敏感结构如高层/高耸建筑、大跨空间结构、大跨桥梁等,同时地面交通工具如高速铁路等大规模发展也对风工程的研究提出了新的要求。进行风工程研究,目前最直接、最常用也是最可靠的研究手段是进行风洞试验。由于风工程研究对象的多样性和风速范围要求的宽广性,以及结构破坏时天气的复杂性,涉及到这些结构的空气动力学问题时，有许多争议依然需要完全解决—这包括非稳态阵风的相互作用、雷诺数的影响以及小尺度湍流的意义。现有风洞的能力限制了对这些争议的研究。最经典案例是1940年美国华盛顿州塔科马(Tacoma)桥，大桥建成后经常在3～6m/s这么一个很低的自然风速环境下，桥体就能够发生垂直于桥面水平方向的左右摇摆运动。最终在建成两个月后，大桥在风速达到19m/s左右的时候被破坏。通过专家现场调研发现在自然环境下风速是不停地大小变化成周期性，所以桥面在这种非稳态阵风的影响下即使风速不高，也能够被破坏掉。
通过上述分析，理想风洞应达到以下几点：1、风速范围的宽广性。例如桥梁的全桥模型试验、结构的测压试验等,使用的风速大多在20m/s以下,桥梁的涡激振试验大都在几米的风速下进行，同时环境类试验要求的风速也很低。但是,对于一些工业空气动力学试验和地面交通工具试验,以及一些考虑雷诺数效应的基础研究试验,需要的风速则较高。2、高流场品质的要求。与航空风洞相比,大气边界层风洞的流场要求相对较低,但是考虑一些基础性研究对流场的要求,风洞的背景湍流度、速度场、方向场等需要相对较高的指标。3、特殊天气和特殊试验的要求。例如我国东南地区发生的大风通常是台风,而自然界的台风往往具有速度高且变化快的特点。评价台风在风致结构破坏中的作用需要在风动中尽可能模拟出与自然环境下台风相似的阵性效果。西北地区风吹沙以及污染物扩散试验也是考虑的试验项目。
因此为了满足风工程和空气动力学应用的需要，如何将空气动力学/大气边界层风和阵风结合的回流两用阵性风洞设计出来是十分重要的课题，因为这种风洞可以很好地满足相关试验需求。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明采用简单易行的方式，实现大型边界层风洞的闭路、开路两用，而且能够很好的模拟出自然风。
本发明的具体技术方案如下：
一种带有旁路的直流回流两用阵风风洞，通过以下各段依次连接形成，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；所述第一回流段两侧的拐角处以及第二回流段两侧的拐角处均设置有导流片单元，其中第二回流段两侧的拐角处的导流片单元为活动式，所述试验段两侧设置有旁路段，旁路段一端连通到第一回流段跟稳定与收缩段的交界处并在交界处设置分流门，旁路段另一端连通到第二扩散段和第二回流段的交界处并在交界处设置合流门，旁路段内部均设有风扇和节流阀；第二回流段两端均在侧壁上设有开合门，当第二回流段两端的开合门同时关闭时，风洞闭路运行；当第二回流段两拐角处的导流片单元移至第二回流段内部，第二回流段两端的开合门同时打开时，风洞开路运行。
进一步地，旁路段中的分流门和合流门都关闭时，旁路段无气流通过，风扇和节流阀关闭；所述旁路段设置为两组，且对称设置于试验段的两侧。
进一步地，节流阀包括固定导流罩和活动叶片，当旁路段为通路时，活动叶片做开合运动，当旁路段为闭路时，活动叶片停止运动。
进一步地，旁路段中的风扇设置为一台或多台；多台时，各风扇布置在旁路段的同一截面内。
进一步地，第二回流段两端的开合门为两用门，闭路运行时，两门关闭；开路运行时，第二回流段两侧的拐角处的导流片单元先移至第二回流段内部，两开合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。
进一步地，第二回流段两端的开合门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。
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平移至第二回流段内部。
进一步地，第二回流段两端的开合门分别为进气开合门和排气开合门，在对应进气开合门和排气开合门的位置，还分别设置有定位锁紧装置和密封装置。进气开合门相较于排气开合门处于更加靠近动力与风扇段的位置。
进一步地，动力与风扇段，第一扩散段，第一回流段，旁路段，稳定与收缩段，试验段，第二扩散段及第二回流段均为全钢结构。
进一步地，第二回流段两端所设置的开合门的控制方式包括：调控齿轮机电系统中带动连接于所述开合门的旋转轴，实现控制所述开合门的开闭；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截流阀的机械连杆的机械运动，实现控制截流阀的开闭。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.本发明的带有旁路的直流回流两用阵风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。本发明对于高空，山谷、桥梁等设备相关数据的测试，以及检验设备的受阵风的影响程度都具有积极的影响。
2.本发明旁路段内设置有截流阀和旁路风机，所述旁路风机用于加速将主通道部分气流分流入旁路段直接跨过试验段至第二拐角段，使得主通道中试验段气流速度产生大小变化形成阵风。
3.本发明在闭路方式运行时，可以较低功率，获得较高气流速度，同时，当旁路风扇和节流阀运行，可以达到控制旁路分流主通道气流量的效果，进而使风洞试验段的风速瞬间产生大小变化。本发明通过调节节流阀活动叶片的开合频率，从而改变试验段阵风变化的速度。采用本发明的阵风风洞可以产生与自然界相近的阵风。用于模拟大气边界层中由空气流动引起的各种风效应。
4.当该装置以开路方式运行时，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。在此状态下，当旁路风扇和节流阀运行，可以达到控制旁路分流主通道气流量的效果，进而使风洞试验段的风速瞬间产生大小变化。本发明通过调节节流阀活动叶片的开合频率，从而改变试验段阵风变化的速度。采用本发明的阵风风洞可以产生与自然界相近的阵风。用于模拟大气边界层中由空气流动引起的各种风效应。
附图说明
图1为本发明实施例中风洞闭路方式运行时风洞的气流方向示意图；
图2为本发明实施例中旁路段开路方式运行时节流阀各部件位置示意图；
图3为本发明实施例中旁路段闭路方式运行时节流阀各部件位置示意图；
图4为本发明实施例中旁路段风扇示意图；
图5为本发明实施例中风洞开路方式运行时风洞的气流方向示意图；
图6为自然风、常规风洞和阵风风洞的风速变化示意图；
图7为两旁路段增加主动风扇后的风速变化示意图；
图8为日常环境常见风风速变化示意图；
图9为主动风扇的风速周期性大小变化时试验段风速图；
图10为节流阀叶片和主动风扇同时变化时试验段风速图。
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、进气开合门；12、排气开合门；13、旁路段；14、节流阀；15、风扇；16、活动叶片；17、固定导流罩；18、分流门；19、合流门。
具体实施方式
一种带有旁路的直流回流两用阵风风洞，以实现产生频率有高有低的阵风达到与自然界风相近的效果。本回流阵风风洞主要由以下各段依次连接形成，如图1所示包括：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。在动力与风扇段1的上游设置进风口8及进气开合门11，在第二扩散段6的下游设置出风口9和排气开合门12。动力与风扇段1，第一扩散段2，第一回流段3，旁路段13，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3两侧的拐角处设置有导流片单元10，第二回流段7两侧的拐角处设置有导流片单元10，进气开合门11和排气开合门12位于第二回流段7的两端，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7两端的开合门同时关闭时，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，并且第二回流段7两端的开合门同时打开时，风洞开路运行。
第二回流段7两端的开合门为两用门，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，两开合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。
进气开合门11和排气开合门12均可以绕轴转动，实现开闭。闭路运行时，进气开合门11和排气开合门12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，进气口和排气口与风洞的主通道连通，进气开合门11和排气开合门12向内旋转90度，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，然后将进气口8和出气口9的门各旋转90度，将回流段封死。
如图2所示，本发明带有旁路的直流回流两用阵风风洞，旁路段13主要由分流门18、旁路风扇15、节流阀14、合流门19组成。当分流门18关闭时，旁路段13闭路运行，旁路风扇15和节流阀14关闭，阵性风停止。此时节流阀14各部件位置如图3所示，活动叶片16处于关闭状态。
当分流门18与合流门19开启时，旁路段13开路运行，旁路风扇15与节流阀14开启，如图4所示。旁路风扇15加速使主通道气流分流并从稳定收缩段4的上游分流门18进入旁路段13，使主通道进入中间试验段5的气流减小。当气流流向节流阀14。节流阀14开始工作，流入旁路段13的气流量会根据活动叶片16的开闭运动产生大小变化，同时试验段5内的气流也会因为旁路段13内的气流大小变化而变化，而旁路段13内的气流会通过合流门19流入试验段5的下游回流至风洞中。风扇15与节流阀14独立控制调节，共同作用，通过对旁路段13内风扇15与节流阀14的控制从而实现试验段5通过的气流量得到改变，形成风速大小不断变化的阵风。当计算机对活动叶片16开合速度进行控制时，可以使试验段5中产生平率有高有低的阵风。
本实施例主要参数如下：风洞总体长度170m，试验段4m*3m*24m(长)，动力段φ5.1m*18m(长)，旁路段1.7m*4.5m*15m(长)，第一回流段5m*4.8m*20m(长)，第二回流段8.5m*8.5m*24m(长)，风扇叶尖至叶尖的直径为5.07m，轮毂直径2.65m。风扇由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：带有旁路的直流回流两用阵风风洞，第二回流段7两端的开合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：对应进气开合门11和排气开合门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：对应进气开合门11和排气开合门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：所述开合门尺寸与回流段截面积相当，当开路运行时，两开合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：风扇段15左右各为3个。
本实施例中，进一步设计为：第二回流段7两端均设有开合门的控制方式包括：调控齿轮机电系统中带动连接于所述开合门的旋转轴，实现控制所述开合门的开闭。
本实施例中，进一步设计为：旁路段内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。
现有技术中的大多数风洞要么是开路，这意味着空气在一端流入，而从另一端流出；要么是闭路，这意味着空气在风洞内以回路方式循环。他们所提供的阵风类型都有自身的局限性。而本实施例中的带有旁路的直流回流两用阵风风洞则体现出了很好的优势，能够适应不同的阵风类型的需求。
在对大量的风敏感结构如高层/高耸建筑、大跨空间结构、大跨桥梁、塔以及许多其他独特结构提供安全设计时，需要提供高流场品质和较高风速，因此回流式阵风风洞可以很好地提供相应实验要求。其原因在于回流时内部风场环境不受外部自然因素影响，流场品质较稳定。当动力段风机运行后，气流在内部回流时自带初始速度，可以减少风机的功率损耗。在相同功率下回流式风洞的风速比直流开口式高出很多，能够满足较高风速的要求。同时，回流时风洞产生的噪声也比开口式风洞低很多，能够提供较稳定的实验环境。
在进行污染物扩散实验和扬沙扬尘实验时需要将污染物排出风洞以减少对实验影响，因此需要将风洞转为开口式。本实施例中的回流两用阵性风洞可以通过改变内部结构将回流状态切换成开口状态，这样污染物从出口排放后也不会对试验段数据产生影响。
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。
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6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。
通过对阵风风洞旁路段中节流阀与主动风扇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；vmax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，vmin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+vmin。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。具体波形示意图如图所示，所需波形可根据实际试验需求，调节频率ω和幅值f得到。
在此基础上两旁路段增加主动风扇可以进一步提高对主通道气流分流的作用，以增大风速阵性变化时的振幅效果，使风速的高低变化更为明显如图7所示。
本发明风洞的最大风速可达50m/s，如图8所示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。受限于活动叶片的开合速度，使10秒内开合的最快频率为每秒2次，更快速的变化需要今后对设备性能提升。
当液压系统控制节流阀叶片开合运动时，调整旁路中主动风扇的风速进行周期性大小变化时，试验段风速会在原有基础上进行周期性衰减或递增变化如图9所示。
当液压系统控制节流阀叶片开合运动时，调整叶片的开合幅值，使叶片张开以及闭合时不达到极值状态，同时叠加旁路中主动风扇的风速进行周期性大小变化，试验段风速会在原有基础上进行周期性衰减或递增变化如图10所示。
Claims (6)
1.一种带有旁路的直流回流两用阵风风洞，通过以下各段依次连接形成，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)；其特征在于：所述第一回流段(3)两侧的拐角处以及第二回流段(7)两侧的拐角处均设置有导流片单元(10)，其中第二回流段(7)两侧的拐角处的导流片单元(10)为活动式，所述试验段(5)两侧设置有旁路段(13) ，旁路段(13)一端连通到第一回流段(3)跟稳定与收缩段(4)的交界处并在交界处设置分流门(18)，旁路段(13)另一端连通到第二扩散段(6)和第二回流段(7)的交界处并在交界处设置合流门(19)，旁路段(13)内部均设有风扇(15)和节流阀(14)；第二回流段(7)两端均在侧壁上设有开合门，当第二回流段(7)两端的开合门同时关闭时，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)两端的开合门同时向内打开时，风洞开路运行；所述旁路段(13)中的分流门(18)和合流门(19)都关闭时，旁路段(13)无气流通过，风扇(15)和节流阀(14)关闭；所述旁路段(13)设置为两组，且对称设置于试验段(5)的两侧；所述节流阀(14)包括固定导流罩(17)和活动叶片(16)，当旁路段(13)为通路时，活动叶片(16)做开合运动，当旁路段(13)为闭路时，活动叶片(16)停止运动；旁路段(13)中的风扇(15)设置为一台或多台；多台时，各风扇(15)布置在旁路段(13)的同一截面内；所述第二回流段(7)两端的开合门为两用门，闭路运行时，两门关闭；开路运行时，第二回流段(7)两侧的拐角处的导流片单元(10)先移至第二回流段(7)内部，两开合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。
2.根据权利要求1所述的带有旁路的直流回流两用阵风风洞，其特征在于：所述第二回流段(7)两端的开合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。
3.根据权利要求1所述的带有旁路的直流回流两用阵风风洞，其特征在于：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。
4.根据权利要求1所述的带有旁路的直流回流两用阵风风洞，其特征在于：所述第二回流段(7)两端的开合门分别为进气开合门(11)和排气开合门(12)，在对应进气开合门(11)和排气开合门(12)的位置，还分别设置有定位锁紧装置和密封装置。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的带有旁路的直流回流两用阵风风洞，其特征在于：动力与风扇段(1)，第一扩散段(2)，第一回流段(3)，旁路段(13)，稳定与收缩段(4)，试验段(5)，第二扩散段(6)及第二回流段(7)均为全钢结构。
6.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的带有旁路的直流回流两用阵风风洞，其特征在于：第二回流段(7)两端所设置的开合门的控制方式包括：调控齿轮机电系统中带动连接于所述开合门的旋转轴，实现控制所述开合门的开闭；所述节流阀(14)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(14)的机械连杆的机械运动，实现控制节流阀(14)的开闭。
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