CN110006618A - 模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，包括：风洞流道；风洞风机，用于产生背景风；波浪槽，用于模拟波浪；龙卷风模拟装置，用于模拟移动状态下的龙卷风；风洞流道的顶面设有位于波浪槽上方的模拟试验通孔，模拟试验通孔上安装设有二维平面移动装置；二维平面移动装置包括覆盖在模拟试验通孔上的软质遮挡带，软质遮挡带上设有模拟风口，且软质遮挡带的两端分别设有模拟风口移动机构；模拟风口移动机构包括用于收放卷软质遮挡带的收放卷辊和用于驱动收放卷辊沿其轴向方向移动的轴向移动机构；龙卷风模拟装置包括与模拟风口同步移动的龙卷风模拟器安装架，龙卷风模拟器安装架上安装设有龙卷风模拟器。
Description
技术领域
本发明属于风洞技术领域，具体的为一种模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞。
背景技术
海洋环境中有丰富的资源，在当今全球资源、能源供应紧张与人口迅速增长的矛盾日益突出的情况下，开发及利用海洋资源已经是全球经济发展的趋势。但海洋环境十分复杂，时常面临多种荷载耦合作用对海洋工程带来损坏。其中就存在龙卷风、波浪和背景风三者耦合作用的情况。龙卷风是大气中最强烈的涡旋现象，局部产生很强的风力和较大的气压变化，还常伴随着雷暴和强降水等灾害天气，破坏力极大。波浪荷载是由波浪水质点与结构的相对运动所引起的，是一种随机性运动，很难在用数学模型进行准确描述。背景风是指大气边界层下的风。
目前，分析波浪荷载与龙卷风风荷载在背景风下对结构的耦合作用的方法，是采用先单独分析波浪荷载、龙卷风荷载或背景风荷载对结构的作用，再通过叠加的方式，来分析不同荷载耦合作用对结构的响应。这种单独分析再组合的方法，无法考虑几种荷载之间的相互影响、相互耦合的效应。而且在实际情况中，龙卷风发生时的风场特性是随时间和空间的变化的，波浪荷载也是种随机性运动。因此，现有的技术方法既无法考虑多种荷载的相互作用及耦合效应，同时也无法模拟荷载随空间、时间的变化情况，从而无法得到多种荷载耦合作用效应下结构的真实响应。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，能够模拟在背景风下的龙卷风风荷载以及波浪荷载对结构的耦合作用，并能考虑龙卷风和波浪荷载的随机性，更准确的分析结构在背景风及两种不同荷载耦合作用下的真实响应情况。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，包括：
风洞流道；
风洞风机，设置在所述风洞流道内并用于产生背景风；
波浪槽，设置在所述风洞流道的底面上并用于模拟波浪；
龙卷风模拟装置，用于模拟移动状态下的龙卷风；
所述风洞流道的顶面设有位于所述波浪槽上方的模拟试验通孔，所述模拟试验通孔上安装设有二维平面移动装置；
所述二维平面移动装置包括覆盖在所述模拟试验通孔上的软质遮挡带，所述软质遮挡带上设有模拟风口，且所述软质遮挡带的两端分别设有用于驱动其移动并使所述模拟风口在所述模拟试验通孔区域内做二维平面移动的模拟风口移动机构；
所述模拟风口移动机构包括用于收放卷所述软质遮挡带的收放卷辊和用于驱动所述收放卷辊沿其轴向方向移动的轴向移动机构；
所述龙卷风模拟装置包括与所述模拟风口同步移动的龙卷风模拟器安装架，所述龙卷风模拟器安装架上安装设有用于模拟龙卷风的龙卷风模拟器。
进一步，所述收放卷辊上设有用于驱动其转动进而收卷或放卷所述软质遮挡带的收放卷驱动机构；所述收放卷驱动机构包括收放卷电机和与所述收放卷电机传动连接的收放卷变速箱，所述收放卷变速箱的输出轴与所述收放卷辊传动连接。
进一步，所述轴向移动机构包括与所述收放卷辊平行设置的螺杆和旋转配合套装在所述收放卷辊的转轴上并与所述收放卷辊同步轴向移动的移动板，所述螺杆与所述移动板螺纹配合；所述轴向移动机构还包括与所述收放卷辊平行设置的第一导轨，所述移动板上设有与所述第一导轨配合的第二导轨。
进一步，还包括分别位于所述模拟试验通孔两端并用于导向所述软质遮挡带的两根导向辊，所述导向辊与所述收放卷辊平行并与所述收放卷辊同步轴向移动。
进一步，所述软质遮挡带的两侧分别设有夹板机构；所述夹板机构包括两块夹板，所述软质遮挡带位于两块所述夹板之间，两块所述夹板的两端分别旋转配合套装在对应的所述收放卷辊的转轴上并与所述收放卷辊同步轴向移动。
进一步，所述软质遮挡带的宽度大于等于所述模拟试验通孔的宽度的两倍，所述模拟风口的几何中心落在所述软质遮挡带的中心线上。
进一步，所述龙卷风模拟器安装架上设有位于竖直方向上的第一滑轨，所述龙卷风模拟器滑动配合安装在所述第一滑轨上，且所述龙卷风模拟器安装架上设有用于驱动所述龙卷风模拟器沿着所述第一滑轨移动的龙卷风模拟器驱动机构。
进一步，所述龙卷风模拟器安装架包括两根相互平行的支撑杆，所述支撑杆上设有与所述收放卷辊垂直并位于水平方向上的第二滑轨，且两根所述支撑杆之间设有与所述第二滑轨滑动配合的滑动安装架，所述滑动安装架上固定安装设有所述第一滑轨，所述第一滑轨的一端与所述软质遮挡带固定连接；所述支撑杆的两端分别套装在两根所述收放卷辊的转轴上并与所述收放卷辊同步轴向移动；所述软质遮挡带上与所述模拟风口对应设有硬质安装板，所述第一滑轨与所述硬质安装板固定连接。
进一步，所述波浪槽内设有用于分别产生与背景风流动方向平行的顺风向波浪的底部振动盒和与背景风流动方向垂直的横风向波浪的侧部振动盒。
进一步，所述风洞流道为直流式流道，所述风洞风机安装在所述直流式流道内，所述波浪槽设置在所述直流式流道的底面下方，所述模拟试验通孔设置在所述直流式流道的顶面上；或，所述风洞流道为回流式流道，所述回流式流道包括第一风洞流道段和第二风洞流道段，所述第一风洞流道段与所述第二风洞流道段之间首尾相连实现气流循环，所述风洞风机安装在所述第一风洞流道段内，所述波浪槽设置在所述第二风洞流道段的底面下方，所述模拟试验通孔设置在所述第二风洞流道段的顶面上。
本发明的有益效果在于：
本发明的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，通过在风洞流道内设置风洞风机模拟背景风，同时利用波浪槽模拟水面上的波浪，在利用龙卷风模拟装置模拟移动状态下的龙卷风，如此，即可模拟背景风环境下的龙卷风风荷载以及波浪荷载对结构的耦合作用，并能考虑龙卷风和波浪荷载的随机性，更准确的分析结构在背景风及两种不同荷载耦合作用下的真实响应情况。
通过在模拟试验区的侧面上设置模拟试验通孔，并利用软质遮挡带覆盖在模拟试验通孔，如此，能够有效避免模拟试验通孔影响风洞流道内的背景风气流；通过在软质遮挡带上设置模拟风口，并利用模拟风口二维平面移动装置驱动软质遮挡带在模拟试验通孔所在的区域内沿着垂直的两个方向移动，如此，即可驱动模拟风口在模拟试验通孔所在的区域内沿着垂直的两个方向上移动，即模拟风口可在模拟试验通孔所在的区域内做二维平面移动；通过设置与模拟风口同步移动的龙卷风模拟器安装架，并将龙卷风模拟器安装在龙卷风模拟器安装架上，能够模拟移动状态下的龙卷风。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞实施例的结构示意图；
图2为图1的A详图；
图3为图2的B详图；
图4为图2的C详图；
图5为图2的俯视图；
图6为图5的D详图。
附图标记说明：
1-风洞流道；1a-第一风洞流道段；1b-第二风洞流道段，2-风洞风机；3-软质遮挡带；4-模拟风口；5-收放卷辊；6-收放卷电机；7-收放卷变速箱；8-螺杆；9-移动板；10-丝杆电机；11-丝杆变速箱；12-第一导轨；13-第二导轨；14-导向辊；15-夹板；16-龙卷风模拟器安装架；17-龙卷风模拟器；18-第一滑轨；19-硬质安装板；20-支撑杆；21-滑动安装架；22-滑块；23-模拟器驱动螺杆；24-模拟器驱动电机；25-波浪槽；25a-底部振动盒；25b-侧部振动盒；26-导向片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞实施例的结构示意图。本实施例模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，包括：
风洞流道1；
风洞风机2，设置在风洞流道1内并用于产生背景风；
波浪槽25，设置在风洞流道1的底面上并用于模拟波浪；
龙卷风模拟装置，用于模拟移动状态下的龙卷风。
本实施例的风洞流道1的顶面设有位于波浪槽25上方的模拟试验通孔，模拟试验通孔上安装设有二维平面移动装置。本实施例的二维平面移动装置包括覆盖在模拟试验通孔上的软质遮挡带4，软质遮挡带3上设有模拟风口4，且软质遮挡带3的两端分别设有用于驱动其移动并使模拟风口4在模拟试验通孔区域内做二维平面移动的模拟风口移动机构。本实施例的模拟风口移动机构包括用于收放卷软质遮挡带3的收放卷辊5和用于驱动收放卷辊5沿其轴向方向移动的轴向移动机构。
具体的，本实施例的收放卷辊5上设有用于驱动其转动进而收卷或放卷软质遮挡带3的收放卷驱动机构。本实施例的收放卷驱动机构包括收放卷电机6和与收放卷电机6传动连接的收放卷变速箱7，收放卷变速箱7的输出轴与收放卷辊5传动连接。通过分别控制与两根收放卷辊5传动连接的收放卷电机6同步转动，即可驱动模拟风口4在垂直于收放卷辊5的轴向方向上移动。
具体的，本实施例的轴向移动机构包括与收放卷辊5平行设置的螺杆8和旋转配合套装在收放卷辊5的转轴上并与收放卷辊5同步轴向移动的移动板9，螺杆8与移动板9螺纹配合。优选的，本实施例的收放卷辊5的转轴的两端均设有与其旋转配合的移动板9，两块移动板9均与螺杆8螺纹配合，可使收放卷辊5沿轴向移动更加平稳。本实施例的螺杆8上设有用于驱动其转动的丝杆驱动机构。具体的，丝杆驱动机构包括丝杆电机10和与丝杆电机10传动连接的丝杆变速箱11，丝杆变速箱11的输出轴与螺杆8传动连接，通过控制两个丝杆电机10同步转动，，即可驱动两根收放卷辊5沿其轴向同步移动，进而驱动模拟风口4沿着收放卷辊5轴向的方向移动。优选的，本实施例的轴向移动机构还包括与收放卷辊5平行设置的第一导轨12，移动板9上设有与第一导轨12配合的第二导轨13，用于移动导向。
进一步，本实施例模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞还包括分别位于模拟试验通孔两端并用于导向软质遮挡带3的两根导向辊14，导向辊14与收放卷辊5平行并与收放卷辊5同步轴向移动，用于导向软质遮挡带3，使软质遮挡带3能够完全覆盖在模拟试验通孔上。
进一步，本实施例的软质遮挡带3的两侧分别设有夹板机构。具体的，夹板机构包括两块夹板15，软质遮挡带3位于两块夹板15之间，两块夹板15的两端分别旋转配合套装在对应的收放卷辊5的转轴上并与收放卷辊5同步轴向移动，本实施例的两块夹板15的两端分别旋转配合套装在对应的收放卷辊5和导向辊14的转轴上。通过设置夹板机构，能够防止软质遮挡带3位于模拟试验通孔中间部位的区域在风洞流道1内部的气流作用下变形，进而避免对风洞流道1内的气流造成干扰。
进一步，软质遮挡带3的宽度大于等于模拟试验通孔的宽度的两倍，模拟风口4的几何中心落在软质遮挡带3的中心线上。如此，可使模拟风口4的二维平面移动区域完全覆盖模拟试验通孔所在的区域。
本实施例的龙卷风模拟装置还包括与模拟风口4同步移动的龙卷风模拟器安装架16，龙卷风模拟器安装架16上安装设有用于模拟龙卷风的龙卷风模拟器17。本实施例的龙卷风模拟器安装架16上设有位于竖直方向上的第一滑轨18，龙卷风模拟器17滑动配合安装在第一滑轨18上，且龙卷风模拟器安装架16上设有用于驱动龙卷风模拟器17沿着第一滑轨18移动的龙卷风模拟器驱动机构。通过在龙卷风模拟器安装架上设置与软质遮挡带垂直的第一滑轨，如此，即可驱动龙卷风模拟器沿着第一滑轨在竖直方向上移动，龙卷风模拟器在跟随模拟风口做同步的二维平面移动的基础上，可实现三维移动，即可以模拟三维移动的龙卷风。
本实施例的龙卷风模拟器安装架16包括两根相互平行的支撑杆20，支撑杆20上设有位于水平方向上并与收放卷辊5垂直的的第二滑轨，且两根支撑杆20之间设有与第二滑轨滑动配合的滑动安装架21，滑动安装架21上固定安装设有第一滑轨18，第一滑轨18的一端与软质遮挡带3固定连接。本实施例的支撑杆20的两端分别套装在两根收放卷辊5的转轴上并与收放卷辊5同步轴向移动。本实施例的软质遮挡带3上与模拟风口4对应设有硬质安装板19，第一滑轨18与硬质安装板19固定连接，如此，滑动安装架21可在软质遮挡带3的带动下沿着第二滑轨滑动，并在收放卷辊5的轴向移动的带动下沿收放卷辊5的轴向方向移动。本实施例的第一滑轨18相对于模拟风口4的轴线呈环形均布设置。
本实施例的龙卷风模拟器安装架16上设有与第一滑轨18滑动配合的滑块22，本实施例的龙卷风模拟器驱动机构包括与第一滑轨18平行的模拟器驱动螺杆23，模拟器驱动螺杆23与其中一块滑块22之间螺纹配合，且第一滑轨18上固定安装设有用于驱动模拟器驱动螺杆23转动的模拟器驱动电机24。
进一步，本实施例的波浪槽25内设有用于分别产生与背景风流动方向平行的顺风向波浪的底部振动盒25a和与背景风流动方向垂直的横风向波浪的侧部振动盒25b。通过底部振动盒25a和侧部振动盒25b之间的配合，可以在波浪槽25内模拟与背景风流动方向呈任意夹角的波浪，不再累述。本实施例的波浪槽25内还设有消波器。
进一步，风洞流道1可以为直流式流道会回流式流道。当风洞流道1为直流式流道时，风洞风机2安装在直流式流道内，波浪槽25设置在直流式流道的底面下方，模拟试验通孔设置在直流式流道的顶面上；当风洞流道1为回流式流道时，回流式流道包括第一风洞流道段1a和第二风洞流道段1b，第一风洞流道段1a与第二风洞流道段1b之间首尾相连实现气流循环，风洞风机2安装在第一风洞流道段1a内，波浪槽25设置在第二风洞流道段1b的底面下方，模拟试验通孔设置在第二风洞流道段1b的顶面上。本实施例的风洞流道1为回流式流道，第一风洞流道段1a的横截面积小于第二风洞流道段1b的横截面积，即背景风气流在第一风洞流道段1a内的速率大于在第二风洞流道段1b内的速率。本实施例的第一风洞流道段1a与第二风洞流道段1b之间折弯处设有用于导向背景风气流的导向片26。
本实施例的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，通过在风洞流道内设置风洞风机模拟背景风，同时利用波浪槽模拟水面上的波浪，在利用龙卷风模拟装置模拟移动状态下的龙卷风，如此，即可模拟背景风环境下的龙卷风风荷载以及波浪荷载对结构的耦合作用，并能考虑龙卷风和波浪荷载的随机性，更准确的分析结构在背景风及两种不同荷载耦合作用下的真实响应情况。
通过在模拟试验区的侧面上设置模拟试验通孔，并利用软质遮挡带覆盖在模拟试验通孔，如此，能够有效避免模拟试验通孔影响风洞流道内的背景风气流；通过在软质遮挡带上设置模拟风口，并利用模拟风口二维平面移动装置驱动软质遮挡带在模拟试验通孔所在的区域内沿着垂直的两个方向移动，如此，即可驱动模拟风口在模拟试验通孔所在的区域内沿着垂直的两个方向上移动，即模拟风口可在模拟试验通孔所在的区域内做二维平面移动；通过设置与模拟风口同步移动的龙卷风模拟器安装架，并将龙卷风模拟器安装在龙卷风模拟器安装架上，能够模拟移动状态下的龙卷风。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：包括：
风洞流道(1)；
风洞风机(2)，设置在所述风洞流道(1)内并用于产生背景风；
波浪槽(25)，设置在所述风洞流道(1)的底面上并用于模拟波浪；
龙卷风模拟装置，用于模拟移动状态下的龙卷风；
所述风洞流道(1)的顶面设有位于所述波浪槽(25)上方的模拟试验通孔，所述模拟试验通孔上安装设有二维平面移动装置；
所述二维平面移动装置包括覆盖在所述模拟试验通孔上的软质遮挡带(4)，所述软质遮挡带(3)上设有模拟风口(4)，且所述软质遮挡带(3)的两端分别设有用于驱动其移动并使所述模拟风口(4)在所述模拟试验通孔区域内做二维平面移动的模拟风口移动机构；
所述模拟风口移动机构包括用于收放卷所述软质遮挡带(3)的收放卷辊(5)和用于驱动所述收放卷辊(5)沿其轴向方向移动的轴向移动机构；
所述龙卷风模拟装置包括与所述模拟风口(4)同步移动的龙卷风模拟器安装架(16)，所述龙卷风模拟器安装架(16)上安装设有用于模拟龙卷风的龙卷风模拟器(17)。
2.根据权利要求1所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：所述收放卷辊(5)上设有用于驱动其转动进而收卷或放卷所述软质遮挡带(3)的收放卷驱动机构；所述收放卷驱动机构包括收放卷电机(6)和与所述收放卷电机(6)传动连接的收放卷变速箱(7)，所述收放卷变速箱(7)的输出轴与所述收放卷辊(5)传动连接。
3.根据权利要求1所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：所述轴向移动机构包括与所述收放卷辊(5)平行设置的螺杆(8)和旋转配合套装在所述收放卷辊(5)的转轴上并与所述收放卷辊(5)同步轴向移动的移动板(9)，所述螺杆(8)与所述移动板(9)螺纹配合；所述轴向移动机构还包括与所述收放卷辊(5)平行设置的第一导轨(12)，所述移动板(9)上设有与所述第一导轨(12)配合的第二导轨(13)。
4.根据权利要求1所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：还包括分别位于所述模拟试验通孔两端并用于导向所述软质遮挡带(3)的两根导向辊(14)，所述导向辊(14)与所述收放卷辊(5)平行并与所述收放卷辊(5)同步轴向移动。
5.根据权利要求1所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：所述软质遮挡带(3)的两侧分别设有夹板机构；所述夹板机构包括两块夹板(15)，所述软质遮挡带(3)位于两块所述夹板(15)之间，两块所述夹板(15)的两端分别旋转配合套装在对应的所述收放卷辊(5)的转轴上并与所述收放卷辊(5)同步轴向移动。
6.根据权利要求1所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：所述软质遮挡带(3)的宽度大于等于所述模拟试验通孔的宽度的两倍，所述模拟风口(4)的几何中心落在所述软质遮挡带(3)的中心线上。
7.根据权利要求1所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：所述龙卷风模拟器安装架(16)上设有位于竖直方向上的第一滑轨(18)，所述龙卷风模拟器(17)滑动配合安装在所述第一滑轨(18)上，且所述龙卷风模拟器安装架(16)上设有用于驱动所述龙卷风模拟器(17)沿着所述第一滑轨(18)移动的龙卷风模拟器驱动机构。
8.根据权利要求7所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：所述龙卷风模拟器安装架(16)包括两根相互平行的支撑杆(20)，所述支撑杆(20)上设有与所述收放卷辊(5)垂直并位于水平方向上的第二滑轨，且两根所述支撑杆(20)之间设有与所述第二滑轨滑动配合的滑动安装架(21)，所述滑动安装架(21)上固定安装设有所述第一滑轨(18)，所述第一滑轨(18)的一端与所述软质遮挡带(3)固定连接；所述支撑杆(20)的两端分别套装在两根所述收放卷辊(5)的转轴上并与所述收放卷辊(5)同步轴向移动；所述软质遮挡带(3)上与所述模拟风口(4)对应设有硬质安装板(19)，所述第一滑轨(18)与所述硬质安装板(19)固定连接。
9.根据权利要求1所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：所述波浪槽(25)内设有用于分别产生与背景风流动方向平行的顺风向波浪的底部振动盒(25a)和与背景风流动方向垂直的横风向波浪的侧部振动盒(25b)。
10.根据权利要求1所述的模拟背景风和波浪联合作用的移动龙卷风风洞，其特征在于：所述风洞流道(1)为直流式流道，所述风洞风机(2)安装在所述直流式流道内，所述波浪槽(25)设置在所述直流式流道的底面下方，所述模拟试验通孔设置在所述直流式流道的顶面上；或，所述风洞流道(1)为回流式流道，所述回流式流道包括第一风洞流道段(1a)和第二风洞流道段(1b)，所述第一风洞流道段(1a)与所述第二风洞流道段(1b)之间首尾相连实现气流循环，所述风洞风机(2)安装在所述第一风洞流道段(1a)内，所述波浪槽(25)设置在所述第二风洞流道段(1b)的底面下方，所述模拟试验通孔设置在所述第二风洞流道段(1b)的顶面上。
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