CN109799061A - 一种带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，包括依次连接的稳定段、收缩段、试验段、扩散段、动力段和出口扩散段其技术要点是：通过多孔旋转装置来控制气流通量，从而使动力段进入试验段的气流量发生变化形成阵风，通过控制转动多孔盘的旋转速，达到改变试验段阵风变化的速度。采用本发明的阵风风洞，能够产生频率有高有低的阵风。
Description
技术领域
本发明涉及风工程技术领域中的一种阵性风风洞实验装置，尤其涉及一 种带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞。
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； 气候因素影响如风向、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, 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、交通等将不再千扰风 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,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。
同时，在风工程领域的研究中，环境风洞还能为研究大跨度桥、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环境风洞。
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，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。
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
基于上述现有技术的不足，本发明提出一种带有多孔旋转装置的吸式阵 风风洞，能够产生频率有高有低的阵风。本发明的风洞实验的主要工作原理 是:在工作段安放按一定比例缩小的研究地区的地形和建筑物等的模型，并 且按一定的相似准则,在工作段模拟出与现场相似的大气流场,然后在大气污 染物排放点上释放示踪剂，由布设的一系列采样点采样后分析其浓度。大气 流场情况则由一种专用于流场测定的热线风速仪测定记录下来。最后进行数 据整理分析、模式推导而确定研究地区大气污染物的稀释扩散规律。也可以 采用在工作段释放液态石蜡生成的白烟,用照像的方法和摄像的方法记录其 变化轨迹,然后进行数据分析整理寻找其变化规律。
为解决上述问题，现提出的方案如下：
一种带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，总体长度为53米，包括：依次 连接的稳定段、收缩段、试验段、扩散段、动力段和出口扩散段；其中：所 述动力段长为9.1米、直径为5.1米，一侧连通着与外界相通的出口扩散 段，另一侧连接着扩散段，试验段长为16米、宽为2.5米、高为2米，所 述试验段与扩散段在连通处设置有多孔旋转装置，所述多孔旋转装置包括中 空的固定多孔盘、转动轴承和中空的转动多孔盘，固定多孔盘与转动多孔盘 的直径均为2米，多孔旋转装置中转动多孔盘内圈与转动轴承外圈固定连 接，固定多孔盘内圈与转动轴承内圈固定连接，固定多孔盘的外圈固定连接 在风洞内壁，转动多孔盘外圈边缘设置有齿轮，能够与所述履带配合，转动 多孔盘与转动轴承通过固定在风洞内壁的电机来驱动。所述试验段另一侧与 收缩段相连，收缩段就是风洞中横截面积大为缩小，以增大流动速度，使得 气流更均匀的一段。单位时间内流过收缩段大端的空气质量，必定从收缩段 的小端流出(质量守恒原理)。唯一的方式就是，当流通面积减小时，气流 速度增加。结果是，空气在试验段中流动的速度要比在收缩段之前各段中的 流动速度更大。与外界相通的稳定段连接着收缩段，其主要作用是减小湍流 和增加气流的均匀性。该段由多个阻尼网和蜂窝器组成，丝网的空隙率，或 称开通面积比为64％。蜂窝器的功能是气流“顺直器”。铝制蜂窝器由六角 形管组成，管的直径为12.7mm、长20.3mm。本风洞通过多孔旋转装置根据转动多孔盘与固定多孔盘的圆孔对位形成的出风口来控制气流通量，在风洞 内形成高低频率的阵风。
优选地，所述多孔旋转装置设置在扩散段与试验段之间连通处，来更好 得控制风洞内气流通量。
优选地，转动多孔盘内圈与转动轴承外圈固定连接，固定多孔盘内圈与 转动轴承内圈固定连接，固定多孔盘的外圈固定连接在风洞内壁。防止多孔 旋转装置脱落，起到稳定作用。
优选地，所述多孔旋转装置包括中空的固定多孔盘、转动轴承和中空的 转动多孔盘，来控制气流通量。
优选地，转动多孔盘通过固定安装在风洞内壁的电机上履带的运行来进 行转动。
优选地，转动多孔盘外圈边缘设置有齿轮，能够与所述履带配合。方便 转动多孔盘转动。
优选地，固定多孔盘外圈大于转动多孔盘的外圈。
优选地，所述转动多孔盘与固定多孔盘上的孔位大小，形状，以及分布 情况完全相同。均匀的的控制气流通量。
优选地，所述转动轴承为空心轴承。当多孔旋转装置上孔洞完全闭合或 者完全打开时，常规风洞通风。
优选地，所述稳定段中的阻尼网设置为多层，每层丝网之间留有空间以 减少湍流。
优选地，所述稳定段、收缩段、试验段、多孔旋转装置、扩散段、动力 段和出口扩散段为全钢结构，起到抗压抗打击耐腐蚀的效果。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
本次发明的一种带有多孔旋转装置的吸式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，被动向下游出口扩散段排出，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 会对试验段数据产生叠加影响。同时加入多孔旋转装置后，在动力段风机转 速固定的情况下，当转动多孔盘与固定多孔盘上孔位错位闭合时，进入扩散 段的气流通量为最小值，试验段风速最高，当转动多孔盘与固定多孔盘上孔 位对位形成最大出风口，进入扩散段的气流通量为最大值，试验段风速最 低。根据上述两种工作模式，通过顺时针旋转，或者逆时针旋转转动多孔 盘，气流被吸入扩散段时的通量发改变，使得试验段风速快速产生高低不停 的变化形成与自然风相似的阵风，同时还可以改变转动多孔盘的旋转速度， 使得在试验段产生频率有高有低的阵风。当转动多孔盘的转速最大时产生高 频阵风，当转动多孔盘的转速最小时产生低频阵风。当孔位完全重合或者孔 位完全关闭且调节转动多孔盘的电机停止运行时，阵风风洞转化成常规风速 吸式风洞。
本发明阵风风洞的主体包括：依次连接的稳定段、收缩段、试验段、扩 散段、动力段和出口扩散段。扩散段与试验段的连通处设置有多孔旋转装 置，所述多孔旋转装置中依次连接为固定多孔盘、转动轴承、转动多孔盘。 所述多孔旋转装置包括中空的固定多孔盘、转动轴承和中空的转动多孔盘， 多孔旋转装置中转动多孔盘内圈与转动轴承外圈固定连接，固定多孔盘内圈 与转动轴承内圈固定连接，固定多孔盘的外圈固定连接在风洞内壁，转动多 孔盘外圈边缘设置有齿轮，能够与所述履带配合，转动多孔盘与转动轴承通 过固定在风洞内壁的电机上履带的运行来进行转动。多孔旋转装置根据转动 多孔盘与固定多孔盘的孔洞对位形成的出风口来控制气流通量，从而在扩散 段形成高低频率的阵风，模拟出自然风。
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是本发明实施例公开的阵风风洞的二维结构简图；
图2是本发明实施例公开的动力段部分的二维结构简图；
图3是本发明实施例公开的多孔旋转装置的结构简图；
图4是风速变化对比图。
其中：106、动力段；101、稳定段；102、收缩段；103、试验段； 105、扩散段；104、多孔旋转装置；116、前端风机罩；119、后端风机罩； 118、止旋片；117、风扇；120、蜂窝器；121、阻尼网；113、固定多孔 盘；114、转动多孔盘；115、转动轴承；107、出口扩散段。
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有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，通过控制风 洞内的气流通量，产生频率有高有低的阵风。
如图1所示，本发明实施例一种带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，包 括：依次连接的稳定段101、收缩段102、试验段103、扩散段105、动力段 106，出口扩散段107。动力段106的后部采用扩口结构，具体的，上述各个 独立的功能段可通过焊接或者螺接而形成的一个整体风洞。其中：动力段 106一侧连通设置有出口扩散段107，扩散段105与试验段103连通处设置 有多孔旋转装置104。如图2所示，动力段106中设置有前端风机罩116、 后端风机罩119、风扇117、止旋片118。风扇117位于风机的前端。基于风 扇117位置以及气流流向将风机罩子分为前端风机罩116和后端风机罩 119。后端风机罩119外侧设置有止旋片118。如图3所示，所述多孔旋转装 置104包括中空的固定多孔盘113、转动轴承115和中空的转动多孔盘 114，多孔旋转装置104中转动多孔盘114内圈与转动轴承115外圈固定连 接，固定多孔盘113内圈与转动轴承115内圈固定连接，固定多孔盘113的 外圈固定连接在风洞内壁，转动多孔盘114外圈边缘设置有齿轮，能够与所 述履带配合，转动多孔盘114与转动轴承115通过固定在风洞内壁的电机上 履带的运行来进行转动。多孔旋转装置104根据转动多孔盘114随转动轴承 115转动与固定多孔盘113的孔洞对位形成的出风口来控制气流通量，以使 从试验段103到扩散段105的气流稳定，减少因气流分配不均引起主通道流 场均匀度差的问题。
本发明实施例的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞在运行时，风机带动 风扇117转动得以产生吸式气流，经过主通道流经稳定段101与收缩段102 变为均匀稳定，流经试验段103与扩散段105相通处多孔旋转装置104时， 固定在风洞内壁上的电机控制履带来使固定连接的转动轴承115与转动多孔 盘114进行转动，当转动多孔盘114与固定多孔盘113上孔位对位形成小的 出风口，进入扩散段105的气流通量为最小值，当转动多孔盘114与固定多 孔盘113上孔位对位形成大的出风口，进入扩散段105的气流通量为最大 值。根据上述两种工作模式，通过顺时针旋转，或者逆时针旋转转动多孔盘 114，气流被吸入扩散段105时的气流通量发改变，使得试验段103风速产 生高低不停的变化形成与自然风相似的阵风，同时还可以改变转动多孔盘 114的旋转速度，使得在试验段103产生频率有高有低的阵风。当孔位完全 重合或者孔位完全关闭时且调节转动多孔盘114的电机停止运行，阵风风洞 转化成常规风速吸式风洞。
本实施例中，进一步设计为：动力段106的后端风机罩119上的止旋片 118可以作为支架，起到支撑风机和风扇117以及罩子的作用。可选地，后 端风机罩119外侧沿风机径向上设置多个止旋片118。本实施例中，进一步 设计为：稳定段101和收缩段102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。
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。
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4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。
通过对多孔旋转装置的旋转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，所测结果受到固定多孔盘和转动多孔盘旋转时各圆孔的重叠面积的大小影响，其单个圆孔的重叠面积变化趋势经计算可知各中心孔重叠面积为其中x为固定圆孔和转动圆孔之间的距离，其最大值为2R，即固定圆孔和转动 圆孔在重叠与错位过程中无空白等待区，当转动多孔盘旋转频率较低时产生 的风速变化周期较慢，当转动多孔盘旋转频率较高时产生的风速变化周期较 快；试验过程中vmax为固定多孔盘和转动多孔盘完全错位时只有中间的中空 孔有气流通过时，主通道试验段气流速度为最大风速，vmin为固定多孔盘和 转动多孔盘完全重合时，圆盘中各小孔与中间中空孔全部通气时，试验段气 流速度为最小的风速。试验段中的风速最大与最小值受到各多孔盘面积与中 空孔面积比所决定，如果需要调节最大最小值的风速差，可以在固定多孔盘 和转动多孔盘上的各圆孔上安装不同目数的金属网，使各多孔对主通道中空 孔气流的分流量减少，从而达到降低主通道气流的分流量，产生风速大小变 化幅值相对较小的效果，形成风速瞬时大小变化类似于自然界的阵风。理论 上，当控制传动皮带的传动变频电机的转动加速度产生周期性大小变化，可 以使原有的线性风速大小变化效果趋向于正弦性风速大小变化的阵风。
Claims (10)
1.一种带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，包括：依次连接的稳定段(101)、收缩段(102)、试验段(103)、扩散段(105)、动力段(106)和出口扩散段(107)，其中：所述动力段(106)一侧连通与外界相通的出口扩散段(107)，另一侧连接扩散段(105)，扩散段(105)另一侧连接试验段(103)，试验段(103)另一端与收缩段(102)相连接，收缩段(102)另一端连接与外界相通的稳定段(101)，其特征在于：所述吸式阵风风洞中还设置有多孔旋转装置(104)。
2.根据权利要求1所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：所述多孔旋转装置(104)设置在扩散段(105)与试验段(103)之间连通处。
3.根据权利要求2所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：所述多孔旋转装置(104)包括中空的固定多孔盘(113)、转动轴承(115)和中空的转动多孔盘(114)。
4.根据权利要求3所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：转动多孔盘(114)内圈与转动轴承(115)外圈固定连接，固定多孔盘(113)内圈与转动轴承(115)内圈固定连接，固定多孔盘(113)的外圈固定连接在风洞内壁。
5.根据权利要求4所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：转动多孔盘(114)通过固定安装在风洞内壁的电机上履带的运行来进行转动。
6.根据权利要求5所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：转动多孔盘(114)外圈边缘设置有齿轮，能够与所述履带配合。
7.根据权利要求6所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：固定多孔盘(113)外圈大于转动多孔盘(114)的外圈。
8.根据权利要求7所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：所述转动多孔盘(114)与固定多孔盘(113)上的孔位大小，形状，以及分布情况完全相同。
9.根据权利要求8所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：所述转动轴承(115)为空心轴承。
10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的带有多孔旋转装置的吸式阵风风洞，其特征在于：所述稳定段(101)、收缩段(102)、试验段(103)、多孔旋转装置(104)、扩散段(105)、动力段(106)和出口扩散段(107)为全钢结构。
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