CN110207933B - 背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，包括如下步骤：1)将试验模型结构安装在试验台上；2)开启风洞风机，在风洞流道内形成设定流速的背景风，待背景风风场特性稳定后，测量生成的背景风的流场特性；3)启动下击暴流模拟器模拟设定风力大小的下击暴流，并设定下击暴流模拟器的移动路径，利用下击暴流模拟器移动装置驱动下击暴流模拟器移动，并使下击暴流模拟器的移动路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构；4)测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合后的风场特性和试验模型结构在不同的下击暴流风场距离条件下受到的耦合载荷。能够更好地研究在下击暴流和背景风耦合作用下的风场特性和耦合载荷。

Description

背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法

技术领域

本发明属于风洞技术领域，具体的为一种背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法。

背景技术

下击暴流是伴随雷暴发生的一种局部强对流天气现象，背景风是指大气边界层下的风。作为极端风荷载，下击暴流对输电线塔、大跨空间与悬挑屋盖等多种建筑结构造成了十分惊人的破坏，给社会带来了严重的人员伤亡和巨大的财产损失。近年来，伴随计算机科学技术的迅猛发展，CFD数值方法已逐渐成为结构风工程界研究下击暴流近地风场及风剖面特征的主要方法。但由于下击暴流风场较为复杂，单纯的数值仿真很难得到令人满意的结果。相比而言，实验模拟则是揭示下击暴流作用特征的更为行之有效的途径。目前的风洞试验模拟常限于仅考虑由下击暴流造成的风场，而未能考虑大气边界层风场的影响。然而在现实中，下击暴流与背景风是同时存在的，在进行建筑结构的抗下击暴流设计时，须考虑背景风(或季候风)与移动状态下的击暴流的耦合作用影响，而现有的装置和模拟方法无法准确模拟出实际下击暴流灾害发生时的风场。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，能够在考虑背景风的作用下，通过模拟移动状态下的下击暴流，能够更好地研究在下击暴流和背景风耦合作用下的风场特性和耦合载荷。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，包括如下步骤：

1)将试验模型结构安装在试验台上；

2)开启风洞风机，在风洞流道内形成设定流速的背景风，待背景风风场特性稳定后，测量生成的背景风的流场特性；

3)启动下击暴流模拟器模拟设定风力大小的下击暴流，并设定下击暴流模拟器的移动路径，利用下击暴流模拟器移动装置驱动下击暴流模拟器移动，并使下击暴流模拟器的移动路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构；

4)测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合后的风场特性和试验模型结构在不同的下击暴流风场距离条件下受到的耦合载荷。

进一步，所述步骤2)中，风洞风机的转速逐级递增，直至在风洞流道内形成设定流速的背景风，并采用眼镜蛇风速探测仪测量生成的背景风的流场特性。

进一步，所述步骤4)中，采用眼镜蛇风速探测仪测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合后的风场特性，并利用压力扫描阀测量试验模型结构受到的耦合载荷。

进一步，所述下击暴流模拟器移动装置包括设置在所述风洞流道顶面并位于所述试验台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；

所述下击暴流模拟器移动装置包括与所述模拟风口同步移动的下击暴流模拟器安装架，所述下击暴流模拟器安装在所述下击暴流模拟器安装架上。

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，所述下击暴流模拟器安装架上设有位于竖直方向上的第一滑轨，所述下击暴流模拟器滑动配合安装在所述第一滑轨上，且所述下击暴流模拟器安装架上设有用于驱动所述下击暴流模拟器沿着所述第一滑轨移动的下击暴流模拟器驱动机构。

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，所述下击暴流模拟器安装架包括固定安装在所述软质遮挡带上并与所述模拟风口对应设置的硬质安装板，所述第一滑轨固定安装在所述硬质安装板上，所述下击暴流模拟器安装架与分别位于所述软质遮挡带两侧的所述夹板之间滑动配合。

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，所述试验台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，所述试验台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。

进一步，所述试验台设置在所述风洞流道的底面上并位于所述模拟试验通孔下方，所述试验台的下方设有用于调节其位置高度的升降调节机构，且所述试验台上设有用于调节所述试验模型结构放置方向的转动台。

本发明的有益效果在于：

本发明的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，通过利用风洞风机在风洞流道内模拟设定流速的背景风，再利用下击暴流模拟器模拟下击暴流，且下击暴流模拟器在下击暴流模拟器移动装置的作用下移动，如此，即可规划下击暴流模拟器的移动路径，使其路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构，即可直接测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合得到的风场特性和试验模型结构受到的耦合载荷，并能考虑下击暴流的随机性，能够更准确的分析试验模型结构在背景风和移动状态下的下击暴流耦合作用下的真实响应情况。

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为适用于本发明背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法的风洞的结构示意图；

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；

图7为未考虑背景风的下击暴流平均风速和背景风与移动状态下的下击暴流耦合后的平均风速的竖向风剖面示意图。

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-模拟试验区；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-下击暴流模拟器安装架；17-下击暴流模拟器；18-第一滑轨；19-硬质安装板；20-滑块；21-模拟器驱动螺杆；22-模拟器驱动电机；23-试验台；24-升降调节机构；25-转动台；26-旋转电机；27-齿轮传动机构；28-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。

本实施例的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，包括如下步骤：

1)将试验模型结构安装在试验台23上；

2)开启风洞风机2，在风洞流道1内形成设定流速的背景风，待背景风风场特性稳定后，测量生成的背景风的流场特性；具体的，操作时，风洞风机2的转速逐级递增，避免对风机造成损坏，直至在风洞流道1内形成设定流速的背景风，并采用眼镜蛇风速探测仪测量生成的背景风的流场特性；

3)启动下击暴流模拟器17模拟设定风力大小的下击暴流，并设定下击暴流模拟器17的移动路径，利用下击暴流模拟器移动装置驱动下击暴流模拟器17移动，并使下击暴流模拟器17的移动路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构；

4)测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合后的风场特性和试验模型结构在不同的下击暴流风场距离条件下受到的耦合载荷。本实施例采用眼镜蛇风速探测仪测量测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合后的风场特性，并利用压力扫描阀测量试验模型结构受到的耦合载荷。

本实施例的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，通过利用风洞风机在风洞流道内模拟设定流速的背景风，再利用下击暴流模拟器模拟下击暴流，且下击暴流模拟器在下击暴流模拟器移动装置的作用下移动，如此，即可规划下击暴流模拟器的移动路径，使其路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构，即可直接测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合得到的风场特性和试验模型结构受到的耦合载荷，并能考虑下击暴流的随机性，能够更准确的分析试验模型结构在背景风和移动状态下的下击暴流耦合作用下的真实响应情况。

如图1所示，本实施例的下击暴流模拟器移动装置包括设置在风洞流道1顶面并位于试验台23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3，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，本实施例用于模拟移动状态下下击暴流的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，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。

本实施例的模拟试验通孔设置在风洞流道1的顶面上，当然根据需要，也可以将模拟试验通孔设置在风洞流道1的侧面或底面上，不再累述。

本实施例的下击暴流模拟装置还包括与模拟风口4同步移动的下击暴流模拟器安装架16和用于模拟下击暴流的下击暴流模拟器17，下击暴流模拟器安装架16上设有与软质遮挡带3垂直的第一滑轨18，下击暴流模拟器17滑动配合安装在第一滑轨18上，且下击暴流模拟器安装架16上设有用于驱动下击暴流模拟器17沿着第一滑轨18移动的下击暴流模拟器驱动机构。

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。具体的，本实施例的下击暴流模拟器安装架16包括固定安装在软质遮挡带3上并与模拟风口4对应设置的硬质安装板19，第一滑轨18固定安装在硬质安装板19上，下击暴流模拟器安装架16与分别位于软质遮挡带3两侧的夹板15之间滑动配合。

第一滑轨18相对于模拟风口4的轴线环形均布设置为至少两个，本实施例的第一滑轨18相对于模拟风口4的轴线环形均布设置为至少4个。本实施例的下击暴流模拟器安装架16上设有与第一滑轨18滑动配合的滑块20，本实施例的下击暴流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21，模拟器驱动螺杆21与其中一块滑块20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21转动的模拟器驱动电机22。

进一步，本实施例的试验台23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23a和与背景风流动方向垂直的横风向波浪的侧部振动盒23b。通过底部振动盒23a和侧部振动盒23b之间的配合，可以在试验台23内模拟与背景风流动方向呈任意夹角的波浪，不再累述。本实施例的试验台23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，试验台23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，试验台23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28。

本实施例的试验台23设置在风洞流道1的底面上并位于模拟试验通孔下方，试验台23的下方设有用于调节其位置高度的升降调节机构24，且试验台23上设有用于调节试验模型结构放置方向的转动台25。升降调节机构24可以采用伸缩杆等现有的多种方案实现，不再累述。本实施例的试验台23中部设有圆形通孔，所述转动台25旋转配合安装在圆形通孔内，且试验台23上设有用于驱动转动台25旋转的驱动机构。驱动机构包括旋转电机26，旋转电机26与试验台23的转轴之间设有齿轮传动机构27。

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下击暴流模拟器安装架，并将下击暴流模拟器安装在下击暴流模拟器安装架上，能够模拟移动状态下的下击暴流。

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 (9)

1.一种背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将试验模型结构安装在试验台（23）上；

2）开启风洞风机（2），在风洞流道（1）内形成设定流速的背景风，待背景风风场特性稳定后，测量生成的背景风的流场特性；

3）启动下击暴流模拟器（17）模拟设定风力大小的下击暴流，并设定下击暴流模拟器（17）的移动路径，利用下击暴流模拟器移动装置驱动下击暴流模拟器（17）移动，并使下击暴流模拟器（17）的移动路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构；

4）测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合后的风场特性和试验模型结构在不同的下击暴流风场距离条件下受到的耦合载荷；

所述下击暴流模拟器移动装置包括设置在所述风洞流道（1）顶面并位于所述试验台（23）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（3），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；

所述下击暴流模拟器移动装置包括与所述模拟风口（4）同步移动的下击暴流模拟器安装架（16），所述下击暴流模拟器（17）安装在所述下击暴流模拟器安装架（16）上。

2.根据权利要求1所述的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，其特征在于：所述步骤2）中，风洞风机（2）的转速逐级递增，直至在风洞流道（1）内形成设定流速的背景风，并采用眼镜蛇风速探测仪测量生成的背景风的流场特性。

3.根据权利要求1所述的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，其特征在于：所述步骤4）中，采用眼镜蛇风速探测仪测量背景风与移动状态下的下击暴流耦合后的风场特性，并利用压力扫描阀测量试验模型结构受到的耦合载荷。

4.根据权利要求1所述的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，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）。

5.根据权利要求1所述的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，其特征在于：所述下击暴流模拟器安装架（16）上设有位于竖直方向上的第一滑轨（18），所述下击暴流模拟器（17）滑动配合安装在所述第一滑轨（18）上，且所述下击暴流模拟器安装架（16）上设有用于驱动所述下击暴流模拟器（17）沿着所述第一滑轨（18）移动的下击暴流模拟器驱动机构。

6.根据权利要求5所述的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，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。

7.根据权利要求6所述的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，其特征在于：所述下击暴流模拟器安装架（16）包括固定安装在所述软质遮挡带（3）上并与所述模拟风口（4）对应设置的硬质安装板（19），所述第一滑轨（18）固定安装在所述硬质安装板（19）上，所述下击暴流模拟器安装架（16）与分别位于所述软质遮挡带（3）两侧的所述夹板（15）之间滑动配合。

8.根据权利要求1所述的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，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，所述试验台（23）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，所述试验台（23）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。

9.根据权利要求1所述的背景风与移动下击暴流耦合的物理模拟方法，其特征在于：所述试验台（23）设置在所述风洞流道（1）的底面上并位于所述模拟试验通孔下方，所述试验台（23）的下方设有用于调节其位置高度的升降调节机构（24），且所述试验台（23）上设有用于调节所述试验模型结构放置方向的转动台（25）。

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