CN110082058B - 一种模拟多种极端风场的多风扇阵列风洞及风场模拟方法 - Google Patents
一种模拟多种极端风场的多风扇阵列风洞及风场模拟方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种模拟多种极端风场的多风扇阵列风洞，包括风塔、多风扇阵列、排气装置、转动装置和法兰。风塔顶层中心位置安装顶部单风扇，风塔底部沿周向安装单层第一底部单风扇，风塔侧壁的一侧安装多层多个第二底部单风扇，风塔侧壁另一侧设有排气装置。顶部单风扇和第一底部单风扇通过转动装置与风塔壁连接，且所有单风扇均能实现吹气和吸气功能。本发明还提供风场模拟方法，能够实现龙卷风、下击暴流、常态风和脉动风(尤其是高湍流强度的台风)的模拟。通过单风扇段转动不仅能够调节龙卷风和下击暴流风场的涡流比，而且能够使风柱产生扭曲变形；通过控制单风扇段的脉动参数能够实现不同湍流特征的脉动风场模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体力学技术领域，尤其涉及一种多风扇阵列风洞。
背景技术
龙卷风是由空气剧烈对流产生的一种高速旋转的移动风暴，具有持续时间短、风力大、破坏力强和难以预测等特点。目前，对于龙卷风试验室物理模拟装置大多数都是基于Ward型模拟系统的原理建造。Ward型模拟系统虽然能够模拟多种类似龙卷风的涡旋风场，但该系统难以调整龙卷风的涡流比。随着科学技术的发展，日本宫崎大学的A.Nishi研制了一种多风扇阵列风洞，该风洞主要能够模拟常态风和脉动风风场。美国IBHS ResearchCenter的多风扇阵列风洞，主要用于对台风风场的模拟。中国同济大学的多风扇阵列风洞(TJ-5)与日本宫崎大学的多风扇阵列风洞类似，主要能够模拟常态风和脉动风风场。加拿大西安大略大学的龙卷风风洞(WindEEE Dome)，拥有106个风扇，采用正六边形设计，可模拟龙卷风和下击暴流风场，但是该风洞无法模拟龙卷风风柱可扭曲变形以及涡流比可变的龙卷风风场。上述多风扇阵列风洞模拟功能较为单一，应用领域受限。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型的模拟多种极端风场的多风扇阵列风洞，能够模拟出龙卷风、下击暴流、常态风和脉动风(尤其是高湍流强度的台风)风场。不仅能够调节龙卷风和下击暴流风场的涡流比、使风柱产生扭曲变形，而且能够实现对不同湍流特征的脉动风场模拟。
本发明同时提供使用上述多风扇阵列风洞的风场模拟方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明多风扇阵列风洞采用以下技术方案。
一种模拟多种极端风场的多风扇阵列风洞，包括风塔、位于风塔顶部中心位置的顶部单风扇、位于风塔侧壁底部位置的若干底部单风扇；所述风塔顶部设有收容顶部单风扇的开口，顶部单风扇安装在该开口中，且顶部单风扇对风塔内部吹气或吸气；开口两侧设有用以驱动顶部单风扇俯仰转动的第一转动装置；
所述若干底部单风扇包括最下端沿风塔周向形成一圈排列的若干第一底部单风扇以及自下而上多行多列排列的若干第二底部单风扇；所述若干第二底部单风扇位于风塔一侧，而风塔另一侧设有与若干第二底部单风扇相对的排气装置；
所述风塔侧壁上还设有与第一底部单风扇一一对应的第二转动装置，该第二转动装置驱动第一底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动。
进一步的，所述第一转动装置包括第一电机、第一蜗轮蜗杆系统、第一连接件，所述顶部单风扇外侧周向连接有法兰，所述第一连接件与法兰连接，第一电机通过第一涡轮蜗杆系统与第一连接件形成联动，第一连接件通过第一电机转动驱动顶部单风扇俯仰转动。
进一步的，所述第一电机输出轴通过第一联轴器与第一涡轮蜗杆系统内的蜗杆同轴连接，所述第一涡轮蜗杆系统内的涡轮轴向连接所述第一连接件。
进一步的，所述第二转动装置包括弧形活动基座、位于弧形活动基座两端内侧的两个支撑臂，其中支撑臂包括第二电机、第二蜗轮蜗杆系统、第二连接件，第二连接件与第二底部单风扇连接；第二电机通过第二涡轮蜗杆系统与第二连接件形成联动，第二连接件通过第二电机转动驱动第一底部单风扇的轴向在竖直方向之间摆动。
进一步的，所述第二电机输出轴通过第二联轴器与第二涡轮蜗杆系统内的蜗杆同轴连接，所述第二涡轮蜗杆系统内的涡轮轴向连接所述第二连接件。
而使用上述多风扇阵列风洞的风场模拟方法采用以下技术方案，包括以下模拟模式：
(1)、通过顶部单风扇吸气，第一底部单风扇吹气，并关闭排气装置，气流从风塔底部流入，经风塔顶层流出，实现龙卷风风场模拟；
(2)、通过顶部单风扇吹气，第一底部单风扇吸气，并关闭排气装置，气流从风塔顶层流入，经风塔底部流出，实现下击暴流风场模拟；
(3)、通过第一转动装置驱动顶层单顶部单风扇俯仰转动，使龙卷风风柱发生扭曲变形，实现自然界扭曲变形的龙卷风风场模拟；
(4)、通过第二转动装置驱动第一底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动，调节第一底部单风扇入流区气流的入射角，从而调节龙卷风和下击暴流风场的涡流比；
(5)、通过第二底部单风扇吹气，并打开排气装置，该风洞作为常规多风扇阵列风洞使用，实现常态风和脉动风风场模拟；通过控制第二底部单风扇的脉动参数实现不同湍流特征的脉动风场模拟。
有益效果：本发明的多风扇阵列风洞通过设置顶部单风扇、第一底部单风扇、第二底部单风扇；并且顶部单风扇可俯仰转动、第二底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动，从而模拟龙卷风风柱扭曲变形以及涡流比可变的龙卷风和下击暴流风场；通过控制单风扇段的脉动参数能够实现不同湍流特征的脉动风场模拟。相对于现有技术，该多风扇阵列风洞具有多功能、应用领域广的优势。
附图说明
图1为本发明多功能多风扇阵列风洞的结构示意图；
图2为第一转动装置与顶部单风扇的装配图；
图3为第一转动装置结构示意图；
图4为第二转动装置结构示意图；
图5为图4中的A向视图；
图6为固定基座中的转动装置结构示意图；
图7为第二转动装置与第二底部单风扇的装配图；
图8为本发明能够模拟的风场种类示意图。
图中：1、风塔，2-1、顶部单风扇，2-2、第一底部单风扇，2-3、第二底部单风扇，3、排气装置，4、第一转动装置，4-1、第一电机，4-2、第一联轴器，4-3、第一蜗轮蜗杆系统，4-4、第一连接件，4-5、第一轴承座，5、法兰，6、第二转动装置，6-1、固定基座，6-2、弧形活动基座，6-3、支撑臂，6-3-1、第二电机，6-3-2、第二联轴器，6-3-3、第二蜗轮蜗杆系统，6-3-4、第二连接件，6-3-5、第二轴承座，6-4-1、第三电机，6-4-2、第三联轴器，6-4-3、第三蜗轮蜗杆系统，6-4-4、第三连接件，6-4-5、第三轴承座，6-4-6、螺栓。
具体实施方式
请参阅图1至图7所示，本发明公开以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的一种模拟多种极端风场的多风扇阵列风洞，包括筒体结构的风塔1、位于风塔顶部中心位置的顶部单风扇2、位于风塔1侧壁底部位置的若干底部单风扇。所述风塔1顶部设有收容顶部单风扇2-1的开口，顶部单风扇2-1安装在该开口中，且顶部单风扇2-1对风塔1内部形成吹气或吸气功能，具体是通过风扇电机反转及叶片和桨毂反装实现。该开口两侧设有用以驱动顶部单风扇2-1俯仰转动的第一转动装置4。
所述若干底部单风扇包括最下端沿风塔1周向形成一圈排列的若干第一底部单风扇2-2以及自下而上多行多列排列的若干第二底部单风扇2-3。所述若干第二底部单风扇2-3聚集于风塔1一侧，而风塔1另一侧设有与若干第二底部单风扇2-3相对的排气装置3。第一底部单风扇2-2和第二底部单风扇2-3均有吹气和吸气功能，具体是通过风扇电机反转及叶片和桨毂反装实现。
所述风塔1侧壁上还设有与第一底部单风扇2-2一一对应的第二转动装置6，该第二转动装置6驱动第一底部单风扇2-2的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动，使第一底部单风扇2-2独立实现向风塔1内部水平吹风或者斜向下吹风的效果。
请结合图3所示，所述第一转动装置包括第一电机4-1、第一联轴器4-2、第一蜗轮蜗杆系统4-3、第一连接件4-4、第一轴承座4-5。所述顶部单风扇2-1外侧周向连接有法兰5，所述第一连接件4-4与法兰5连接。所述第一电机4-1输出轴通过联轴器4-2与第一涡轮蜗杆系统4-3内的蜗杆同轴连接，所述第一涡轮蜗杆系统4-3内的涡轮轴向连接所述第一连接件4-4。第一电机4-1通过第一涡轮蜗杆系统4-3与第一连接件4-4形成联动，第一连接件4-4通过第一电机4-1转动驱动顶部单风扇2-1俯仰转动。
请结合图4和图5所示，所述第二转动装置6包括弧形活动基座6-2、位于弧形活动基座6-2两端内侧的两个支撑臂6-3。其中支撑臂6-3包括第二电机6-3-1、第二联轴器6-3-2、第二蜗轮蜗杆系统6-3-3、第二连接件6-3-4、第二轴承座6-3-5，第二连接件6-3-4与第二底部单风扇2-3连接。第二电机6-3-1通过第二涡轮蜗杆系统6-3-3与第二连接件6-3-4形成联动。所述第二电机6-3-1输出轴通过第二联轴器6-3-2与第二涡轮蜗杆系统6-3-3内的蜗杆同轴连接，所述第二涡轮蜗杆系统6-3-3内的涡轮轴向连接所述第二连接件6-3-4。第二连接件6-3-4通过第二电机6-3-1转动驱动第一底部单风扇2-2的轴向在竖直方向之间摆动。在本实施方式中，第二转动装置还包括固定基座6-1，所述弧形活动基座6-2在固定基座6-1上左右转动；所述固定基座6-1内设有驱动弧形活动基座6-2左右转动的基座电动机，即第三电机6-4-1。
请结合图6所示，所述固定基座6-1中的转动装置包括第三电机6-4-1、第三联轴器6-4-2、第三蜗轮蜗杆系统6-4-3、第三连接件6-4-4、第三轴承座6-4-5。所述第三电机6-4-1输出轴通过第三联轴器6-4-2与第三蜗轮蜗杆系统6-4-3内的蜗杆同轴连接，所述第三蜗轮蜗杆系统6-4-3内的涡轮轴向连接所述第三连接件6-4-4。通过螺栓6-4-6将第三连接件6-4-4固定于弧形活动基座6-2，其中第三连接件6-4-4为电机轴连接器标准件。第三电机6-4-1通过第三蜗轮蜗杆系统6-4-3与第三连接件6-4-4形成联动，第三连接件6-4-4通过第三电机6-4-1转动驱动弧形活动基座6-2左右转动。
请结合图8所示，通过本发明提供的上述多风扇阵列风洞，可以实现现有技术无法实现的多种模式的风场模拟。包括以下模拟模式：
(1)、通过顶部单风扇2-1吸气，第一底部单风扇2-2吹气，并关闭排气装置3，气流从风塔1底部流入，经风塔1顶层流出，实现龙卷风风场模拟；如图8(a)。
(2)、通过顶部单风扇2-1吹气，第一底部单风扇2-2吸气，并关闭排气装置3，气流从风塔1顶层流入，经风塔1底部流出，实现下击暴流风场模拟；如图8(b)。
(3)、通过第一转动装置4驱动顶层单顶部单风扇2-1俯仰转动，使龙卷风风柱发生扭曲变形，实现自然界扭曲变形的龙卷风风场模拟。
(4)、通过第二转动装置6驱动第一底部单风扇2-2的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动，调节第一底部单风扇2-2入流区气流的入射角，从而调节龙卷风和下击暴流风场的涡流比；
(5)、通过第二底部单风扇2-3吹气，并打开排气装置3，该风洞作为常规多风扇阵列风洞使用，实现常态风和脉动风风场模拟；通过控制第二底部单风扇2-3的脉动参数实现不同湍流特征的脉动风场模拟；如图8(c)-(f)。通过控制风扇段2-3的脉动参数能够实现不同湍流特征的脉动风场模拟，如图8(f)。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种模拟多种极端风场的多风扇阵列风洞，其特征在于：包括风塔、位于风塔顶部中心位置的顶部单风扇、位于风塔侧壁底部位置的若干底部单风扇；所述风塔顶部设有收容顶部单风扇的开口，顶部单风扇安装在该开口中，且顶部单风扇对风塔内部吹气或吸气；开口两侧设有用以驱动顶部单风扇俯仰转动的第一转动装置；
所述若干底部单风扇包括最下端沿风塔周向形成一圈排列的若干第一底部单风扇以及自下而上多行多列排列的若干第二底部单风扇；所述若干第二底部单风扇位于风塔一侧，而风塔另一侧设有与若干第二底部单风扇相对的排气装置；
所述风塔侧壁上还设有与第一底部单风扇一一对应的第二转动装置，该第二转动装置驱动第一底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动。
2.如权利要求1所述的多风扇阵列风洞，其特征在于：所述第一转动装置包括第一电机、第一蜗轮蜗杆系统、第一连接件，所述顶部单风扇外侧周向连接有法兰，所述第一连接件与法兰连接，第一电机通过第一涡轮蜗杆系统与第一连接件形成联动，第一连接件通过第一电机转动驱动顶部单风扇俯仰转动。
3.如权利要求2所述的多风扇阵列风洞，其特征在于：所述第一电机输出轴通过第一联轴器与第一涡轮蜗杆系统内的蜗杆同轴连接，所述第一涡轮蜗杆系统内的涡轮轴向连接所述第一连接件。
4.如权利要求1所述的多风扇阵列风洞，其特征在于：所述第二转动装置包括弧形活动基座、位于弧形活动基座两端内侧的两个支撑臂，其中支撑臂包括第二电机、第二蜗轮蜗杆系统、第二连接件，第二连接件与第二底部单风扇连接；第二电机通过第二涡轮蜗杆系统与第二连接件形成联动，第二连接件通过第二电机转动驱动第一底部单风扇的轴向在竖直方向之间摆动。
5.如权利要求4所述的多风扇阵列风洞，其特征在于：所述第二电机输出轴通过第二联轴器与第二涡轮蜗杆系统内的蜗杆同轴连接，所述第二涡轮蜗杆系统内的涡轮轴向连接所述第二连接件。
6.如权利要求4或5所述的多风扇阵列风洞，其特征在于：还包括固定基座，所述弧形活动基座在固定基座上左右转动；所述固定基座内设有驱动弧形活动基座左右转动的基座电动机。
7.一种使用如权利要求1至6中任一项所述多风扇阵列风洞的风场模拟方法，其特征在于，包括以下模拟模式：
(1)、通过顶部单风扇吸气，第一底部单风扇吹气，并关闭排气装置，气流从风塔底部流入，经风塔顶层流出，实现龙卷风风场模拟；
(2)、通过顶部单风扇吹气，第一底部单风扇吸气，并关闭排气装置，气流从风塔顶层流入，经风塔底部流出，实现下击暴流风场模拟；
(3)、通过第一转动装置驱动顶层单顶部单风扇俯仰转动，使龙卷风风柱发生扭曲变形，实现自然界扭曲变形的龙卷风风场模拟；
(4)、通过第二转动装置驱动第一底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动，调节第一底部单风扇入流区气流的入射角，从而调节龙卷风和下击暴流风场的涡流比；
(5)、通过第二底部单风扇吹气，并打开排气装置，该风洞作为常规多风扇阵列风洞使用，实现常态风和脉动风风场模拟；通过控制第二底部单风扇的脉动参数实现不同湍流特征的脉动风场模拟。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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