CN110031182B - 一种产生速度梯度流场的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实验设备领域，具体涉及一种产生速度梯度流场的装置及方法，其装置包括：设置在风洞喷口处的速度梯度产生机构，所述速度梯度产生机构包括机架，机架内横向设置有不等间距的柱状阵列。由于实际路况环境中流场复杂，在现有的整车风洞和模型风洞实验段的均匀各向同性流场进行实验时容易出现实验结果和真实性差别大的问题，本方案中通过速度梯度产生机构，使得经过该速度梯度产生机构的风速呈现梯度变化，以此使得实验结果更加接近真实状态。

Description

一种产生速度梯度流场的装置及方法

技术领域

本发明涉及实验设备领域，具体涉及一种产生速度梯度流场的装置及方法。

背景技术

风洞是用来研究空气动力学的一种大型试验设施。风洞不单是用来测量汽车风阻，还可以研究气流绕过车身时所产生的其他效应，如升力、下压力，还可以模拟不同的气候环境，如炎热、寒冷、下雨或下雪等情况。这样，工程师们便可以知道汽车在不同环境下的工作情况，特别是冷却水箱散热、制动系统散热等问题。

现有整车风洞和模型风洞的实验段流场均为均匀各向同性，而实际环境中由于复杂的路面情况，以及大气边界层的存在，其来流流场分布往往具有一定的速度梯度，而目前风洞实验无法模拟出具有速度梯度的流场，其实验结果必然与真实情况差别较大。

发明内容

本发明目的在于提供一种产生速度梯度流场的装置，以模拟出具有速度梯度的流场。

本发明提供的基础方案为：一种产生速度梯度流场的装置，包括：设置在风洞喷口处与风洞喷口配合使用的速度梯度产生机构，所述速度梯度产生机构包括机架，机架内横向设置有不等间距的柱状阵列。

本发明的优点在于：

1、本方案中通过在风洞喷口处设置速度梯度产生机构，使得风洞喷口经过速度梯度产生机构后形成速度梯度，以此便于模拟现实环境中的不同路面情况。

2、本方案中通过在机架内横向设置柱状阵列，使得经过喷口出来的风经过柱状阵列时受到柱状阵列的阻挡，进而使得经过柱状阵列的风速发生变化，而由于柱状阵列设置越密的地方对风的阻碍作用越大，因此，不等间距柱状阵列的设置，将使得风经过柱状阵列不同位置后的风速大小并不一致，即形成速度梯度流场。

进一步，所述柱状阵列为圆柱阵列，所述圆柱阵列中所有圆柱直径大小一致。

本方案中通过使得柱状阵列的所有圆柱直径大小一致，便于根据圆柱之间的间距进行经过风速控制。且本方案是通过圆柱阵列对气流的阻碍作用使得气流呈现梯度。

进一步，所述机架上从下而上相邻两个圆柱之间的间距递增。

实际的路况环境中，由于大气边界层的存在，使得地面风速低，远离地面越高的地方风速越高，本方案中机架上从下而上相邻两个圆柱之间的间距递增，使得经过该柱状阵列的风从下而上不断增大，模拟大气边界层的速度分布，增加模拟真实性。

进一步，所述速度梯度产生机构远离风洞的喷口一侧设置有风速测量机构。

本方案中风速测量机构的设置，便于检测喷口产生的风经过速度梯度产生机构后的风速变化。

进一步，所述风速测量机构为热线风速仪。

本方案中通过风速测量机构进行风速的测量。

进一步，所述机架为方框形、圆环形或者半圆环形状。

本方案中将机架可以设置多种形状，便于满足不同客户的需求。

针对一种产生速度梯度流场的装置，本发明还提供了一种产生速度梯度流场的方法，包括如下步骤：

S1：开启风洞，产生具有一定速度的自由来流；

S2：自由来流从风洞喷口出来，并经过风洞喷口处设置的速度梯度产生机构；

S3：速度梯度产生机构远离喷口侧设置的风速测量机构对经过速度梯度产生机构的风进行检测。

本方案中产生的自由来流经过速度梯度产生机构后形成速度梯度流场，以模拟现有大气边界层的气流速度分布，有效增加了测试真实性。

附图说明

图1为本发明实施例一中产生速度梯度流场的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一中速度梯度产生机构的正视结构示意图；

图3为本发明实施例一中喷口出风速度U₀＝5m/s时风速测量机构检测结果图；

图4为本发明实施例一中喷口出风速度U₀＝8m/s时风速测量机构检测结果图；

图5为本发明实施例一中喷口出风速度U₀＝10.8m/s时风速测量机构检测结果图；

图6为本发明实施例二中产生速度梯度流场的装置的正视结构示意图；

图7为本发明实施例二中滑轨与圆柱之间的连接结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：速度梯度产生机构1、喷口2、风速测量机构3、机架4、圆柱阵列5、存放箱6、电机7、安装架8、滑轨9、卡口10、突块11、安装口12、弹簧13、收卷轴14。

实施例一

一种产生速度梯度流场的装置，包括：放置在风洞喷口2处的速度梯度产生机构1，如图2所示，速度梯度产生机构1包括方框形的机架4，机架4采用不锈钢等硬质材质。机架4内横向设置有不等间距的圆柱阵列5。具体实施时，本实施例中的机架4还可以制造成圆环、半圆环等形状，可根据风洞喷口2形状进行选择机架4形状；本实施例中圆柱阵列5中的圆柱直径均为3mm，且设置在机架4上从下而上相邻两个圆柱之间的间距逐渐增大，圆柱具体分布情况如表1所示。

表1速度梯度产生机构中圆柱圆心距离机架底端内侧的排布距离表

如图1所示，在速度梯度产生机构1右侧设置有风速测量机构3，速度梯度产生机构1设置在横截面为0.5m×0.5m闭口风洞实验的喷口2处，风速测量机构3设置速度梯度产生机构1右侧距离速度梯度产生机构1m处。本实施例中的风速测量机构3包括热线风速仪，热线风速仪的主机型号为TSI IFA-300的常温热线风速仪，热线风速仪探头型号为Model1210单丝探头，且喷口2向右出风。本方案中选择将热线风速仪设定在速度梯度产生机构1右侧1m处，原因在于风经过速度梯度产生机构1之后是不稳定的，热线风速仪和速度梯度产生机构1之间相距1m，便于不稳定的气流流动过程中逐渐稳定后再被热线风速仪测定。

针对上述产生速度梯度流场的装置，本实施例还提供了一种产生速度梯度流场的方法，包括如下步骤：

S1：开启风洞，产生具有一定速度的自由来流；

S2：自由来流从风洞喷口2出来，并经过风洞喷口2处设置的速度梯度产生机构1；

S3：速度梯度产生机构1右侧设置的风速测量机构3对经过速度梯度产生机构1的风进行检测。

具体实施时，本方案中进行了三组实验测试，三组测试分别针对不同来流风速的情况进行的实验。第一组实验为喷口2出风速度U₀＝5m/s，第二组实验为喷口2出风速度U₀＝8m/s，第三组实验为喷口2出风速度U₀＝10.8m/s。

第一组实验的实验结果如图3所示，图3中横坐标为风速测量机构3的测量高度，纵坐标为风速测量机构3测得出的风速，即在喷口出风速度U₀＝5m/s时，风速测量机构3检测到的风速值均小于喷口出风速度，且随着风速测量机构3测量高度的增加，风速测量机构3测得的风速值逐渐增大。

第二组实验的实验结果如图4所示，图4中的横坐标为风速测量机构3的测量高度，纵坐标为风速测量机构3测量得出的风速，即在喷口出风速度U₀＝8m/s时，风速测量机构3检测到的风速值均小于喷口出风速度，且随着风速测量机构3测量高度的增加，风速测量机构3测得的风速值逐渐增大。

第三组实验的实验结果如图5所示，图5中的横坐标为风速测量机构3的测量高度，纵坐标为风速测量机构3测量得出的风速，即在喷口出风速度U₀＝10.8m/s时，风速测量机构3检测到的风速值均小于喷口出风速度，且随着风速测量机构3测量高度的增加，风速测量机构3测得的风速值逐渐增大。

由上述三个实验结果可知，速度梯度产生机构1对喷口2产生的风起到了阻碍作用，使得风速测量机构3测量得出的风速均小于喷口2出风速度，且在喷口2具有相同出风速度的情况下，风速测量机构3测量高度越高，速度梯度产生机构1对喷口2产生的风起到的阻碍作用越小。即喷口2具有相同出风速度的情况下，圆柱分布越密，速度梯度产生机构1对喷口2出风的阻碍越大，风速测量机构3检测到的流速越小。

实施例二

由于现实环境下流场分布并不是规律变化的，具有一定的可变性，比如，在平坦的广场和在建筑聚集的街道，汽车受到的流场梯度变化便可能并不是均匀变化的，可能局部出现风速突增的情况，为了更好的模拟现实不同场地不同季节的流场变化。因此，如图6所示，实施例二与实施例一的区别在于，实施例二中产生速度梯度流场的装置还包括用于收卷存放速度梯度产生机构1的存放箱6，存放箱6可以固定在墙上，也可以通过设置支架的方式使得存放箱6固定在支架上.存放箱6底部开设有供速度梯度产生机构1出入的开口，存放箱6内安装有电机7，电机7的输出轴上固定有收卷轴14，收卷轴14和机架4顶端粘接固定，且本实施例中机架4采用橡胶等软性材质，圆柱阵列5和机架4之间粘接固定。

存放箱6底部竖向通过螺栓固定有安装架8，安装架8安装在机架4的左右两侧。安装架8靠近机架4一侧均竖向开设有滑轨9，如图7所示，滑轨9左右两侧壁上从上往下均匀开设有卡口10，滑轨9内滑动连接有多根与速度梯度产生机构1内圆柱平行且直径大小一致的圆柱(滑轨9内圆柱数量根据实际需求设置)，且该圆柱两端为方形并与滑轨9滑动配合。安装架8之间圆柱的端头侧壁上均沿着滑轨9中心线对称开设有安装口12，安装口12内固定有弹簧13，弹簧13一端和安装口12内壁粘接固定，弹簧13另一端粘接固定有圆弧状的突块11，卡口10和突块11配合使用。本实施例中的弹簧13为压簧。

具体实施时，需要进行速度梯度产生机构1时(此时存放箱6上没有安装安装架8)，控制电机7动作，使得收卷轴14转动，进而使得速度梯度产生机构1向下运动，即机架4和圆柱阵列5向下垂落，然后将风速测量机构3安装在距离速度梯度产生机构1右侧1m处进行风速检测，当需要调整流场梯度分布时，如需要增加检测到的流场强度时，可以控制电机7继续转动，使得速度梯度产生机构1继续向下运动，由于速度梯度产生机构1越靠上其圆柱阵列5中圆柱之间的距离越大，这时经过的风速测量机构3测得的速度梯度流场强度便越大。

若需要产生不均匀流场变化时，可以将安装架8安装在存放箱6底侧，然后通过持续按压突块11的方式使得安装架8内圆柱沿着滑轨9滑动，当滑动到指定位置后便可以松开突块11，突块11在弹簧13的支撑作用下滑出安装口12并进入到卡口10内，进而实现圆柱的位置固定。本方案中可以通过简单的操作随意调整安装架8内圆柱分布密度，进而使得风速测量机构3检测到的流场梯度变化更加符合实际环境中的流场变化，增加模拟真实性。

当不需要使用风速测量机构3时，便可以控制电机7工作，使得速度梯度产生机构1全部收卷到收卷轴14上，以便于存放，减少了速度梯度产生机构1的占用空间。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种产生速度梯度流场的装置，其特征在于，包括：设置在风洞喷口处与风洞喷口配合使用的速度梯度产生机构，所述速度梯度产生机构包括机架，机架内横向设置有不等间距的柱状阵列，所述柱状阵列为圆柱阵列，所述圆柱阵列中所有圆柱直径大小一致；

还包括用于收卷存放速度梯度产生机构的存放箱，存放箱底部开设有供速度梯度产生机构出入的开口，存放箱内安装有电机，电机的输出轴上固定有收卷轴，收卷轴和机架顶端粘接固定，机架采用橡胶材质，圆柱阵列和机架之间粘接固定，存放箱底部竖向通过螺栓固定有安装架，安装架安装在机架的左右两侧，安装架靠近机架一侧均竖向开设有滑轨，滑轨左右两侧壁上从上往下均匀开设有卡口，滑轨内滑动连接有多根与速度梯度产生机构内圆柱平行且直径大小一致的圆柱，安装架之间圆柱的端头侧壁上均沿着滑轨中心线对称开设有安装口，安装口内固定有弹簧，弹簧一端和安装口内壁粘接固定，弹簧另一端粘接固定有圆弧状的突块，卡口和突块配合使用。

2.根据权利要求1所述的产生速度梯度流场的装置，其特征在于，所述机架上从下而上相邻两个圆柱之间的间距递增。

3.根据权利要求1所述的产生速度梯度流场的装置，其特征在于，所述速度梯度产生机构远离风洞的喷口一侧设置有风速测量机构。

4.根据权利要求3所述的产生速度梯度流场的装置，其特征在于，所述风速测量机构为热线风速仪。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的产生速度梯度流场的装置，其特征在于，所述机架为方框形、圆环形或者半圆环形状。

6.一种产生速度梯度流场的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：开启风洞，产生具有一定速度的自由来流；

S2：自由来流从风洞喷口出来，并经过风洞喷口处设置的速度梯度产生机构，速度梯度产生机构包括方框形的机架，机架内横向设置有不等间距的圆柱阵列，圆柱阵列中所有圆柱直径大小一致；

S3：速度梯度产生机构远离喷口处设置的风速测量机构对经过速度梯度产生机构的流场进行检测；

需要进行速度梯度产生机构时，控制电机动作，使得收卷轴转动，进而使得速度梯度产生机构向下运动，然后将风速测量机构安装在距离速度梯度产生机构右侧1m处进行风速检测，当需要调整流场梯度分布时，控制电机继续转动，使得速度梯度产生机构继续向下运动，将安装架安装在存放箱底侧，然后通过持续按压突块的方式使得安装架内圆柱沿着滑轨滑动，当滑动到指定位置后便可以松开突块，突块在弹簧的支撑作用下滑出安装口并进入到卡口内。

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