CN110567670B - 港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及模拟方法，包括由两块导流板和一扇电动百叶窗形成的“凵”形突发阵风模拟装置、粗糙元组、等比例缩放待测模型、目标数据测试仪器以及分别设置在来流参考位置和待测位置的两台风速测试仪器；其模拟方法依次为：在风洞中架设突发阵风模拟装置并布设粗糙元；换算出模拟试验的风速参数；确定电动百叶窗参数θ和ω；连接目标测试设备测量数据；换算出原型数据；该港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及其试验方法能够有效模拟港口大型机械设备遇到突发阵风状况产生的非平稳动力冲击效应，对特定地区特定气象条件下港口大型机械设备的抗风能力进行预测。

Description

港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及试验方法

技术领域

本发明涉及结构风洞试验装置技术领域，特别涉及一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及试验方法。

背景技术

近年来，港口大型机械设备近年来遭受强风袭击导致的损毁事故几乎连年发生，而这些事故的大部分是由突发阵风引发的机械设备结构损毁，尤其是在2018年6月，我国青岛港的5台集装箱岸桥在风速由16m/s迅速增大到37.3m/s的情况下发生倒塌。根据调查结果显示，当阵风的突发性较强时，对港口造成的灾害效应甚至比台风更大。然而，目前针对港口大型机械设备的抗风研究多集中于平稳风响应的研究，缺乏考虑突发阵风对港口大型机械产生的非平稳动力冲击效应，是导致港口机械风灾的重要原因之一。

港口大型机械设备的抗风研究需要风洞试验数据作为支撑，而目前的风洞模拟装置多用于平稳风效应的测试，尚无港口大型机械设备突发阵风响应的风洞模拟装置及配套的试验方法，因此亟待进行研发。

发明内容

本发明的目的是提供一种有效模拟港口大型机械设备在突发阵风作用下的非平稳脉动风荷载及风响应的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置。

本发明的另一目的是提供一种采用上述港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置实现的试验方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置，包括设置在风洞洞体内的突发阵风模拟装置、设置在风洞进风端与突发阵风模拟装置之间的粗糙元组、一台相对于实际的港口大型机械设备等比例缩放的待测模型、目标测试设备以及两台风速测试仪器；其中，突发阵风模拟装置为由两块导流板和一扇电动百叶窗形成的“凵”形半封闭结构；电动百叶窗朝向风洞来风端竖向设置在风洞洞体内，两块导流板对称设置在电动百叶窗两侧，使半封闭结构的开口侧朝向风洞另一端，两块导流板与电动百叶窗的两侧侧边密封连接固定为一体；电动百叶窗包括窗体和多条竖向设置在窗体内的条形叶片，每条条形叶片均与设置在窗体上的电动马达连接，电动马达与设置在窗体上的控制器连接，以实现同步驱动所有条形叶片达到初始开合角度θ，并于预定时间以转动角速度ω，驱动所有条形叶片转动至完全闭合状态；粗糙元组由分散且均布设置的多排的粗糙元构成，其布设在风洞进风端和环境模拟装置之间，模拟与实际一致的来流地貌；待测模型设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处，且其尺寸小于突发阵风模拟装置内部空间的尺寸；目标测试设备与待测模型相连接；两台风速测试仪器分别设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处和来流不受干扰的来流参考位置处。

优选，导流板为木制矩形板。

优选，电动百叶窗的条形叶片采用强度为390～420MPa的铝合金叶片。

一种采用上述港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置实现的突发阵风响应风洞模拟试验方法，步骤如下：

S1、在风洞中架设突发阵风模拟装置，并于风洞进风端与突发阵风模拟装置之间布设粗糙元模拟来流地貌；

S2、根据斯托罗哈相似准则，将原型风速参数等比例换算为突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，包括风洞试验风速U、风速突变前后的平均值U₁、U₂及突变加速度a，同时设定突发阵风响应风洞模拟试验中的采样时长T和试验采样频率f_s；

S3、根据步骤S2获取的突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，确定电动百叶窗的全部百叶的初始开合角度θ，以及经过T/2后全部百叶转动至完全闭合状态过程中的转动角速度ω，以实现模拟与原型突发阵风等同的突发阵风状态；

S4、将待测试位置的风速测试仪器移除，并在该位置处安装待测模型，将目标测试设备与待测模型连接，进行风洞模拟试验；其中，目标测试设备包括用于模拟测压实验的压力测试系统、用于模拟测力实验的测力天平或用于模拟测振实验的振动测试及采集仪器；接着，将风洞试验风速调至U*，并将百叶窗的百叶初始开合角度调整为θ*，待风速稳定后，设置在来流参考位置的风速测试仪器和设置在待测试位置的目标测试设备开始进行数据测量，并于T/2后启动电动马达以转速ω驱动百叶的开合角度变化至180°，即得到待测模型在突发阵风作用下的风荷载/响应时程曲线；

S5、将经过步骤S4的风洞试验的模拟测量数据按照步骤S2的几何缩尺比换算为原型的相应数据，其具体换算方法为：

1)针对模拟测压实验，原型压力＝模型压力/λ_U ²；

2)针对模拟测力实验，原型基底风力＝模型基底风力/λ_U ²λ_L ²，原型基底风力矩＝模型基底风力矩/λ_U ²λ_L ³；其中，λ_U为风速比；λ_L为港口大型机械设备缩放模型与港口大型机械设备原型的几何缩尺比；3)针对模拟测振实验，原型位移响应＝模型位移响应/λ_L，原型加速度响应＝模型加速度响应/λ_a；其中，λ_a为加速度比。

进一步地，步骤S2的风洞模拟试验的风速参数的具体获取步骤为：

S201、设定风速比λ_U，通过风速比公式：λ_U＝U/U_p确定试验风速U，其中，U_p为原型风速；此外，在该步骤S201中，风速比λ_U设定值应满足试验风速参数在风洞实验所能承受的的测试条件范围内；

S202、根据斯托罗哈相似准则，结合港口大型机械设备缩放模型与港口大型机械设备原型的几何缩尺比λ_L＝L/L_p确定频率比λ_f＝λ_U/λ_L，其中，L为模型尺寸，L_p为原型尺寸；从而确定时间比λ_T＝λ_L/λ_U和加速度比λ_a＝λ_U/λ_T；

S203、设定原型风速突变加速度a_p，根据原型突变前风速U_1p(U_1p＝U_p)得到原型突变后风速U_2p，进而确定试验突变前风速的平均值U₁＝U_1pλ_U、试验突变后风速U₂＝U_2pλ_U、及突变加速度a＝a_pλ_a；

进一步地，在上述步骤中，为满足测试要求，试验采样时长T不小于原型中的10min，即T≥600λ_T；试验采样频率f_s不小于原型中结构一阶自振频率f_n的10倍，且不小于原型中突变时长倒数的2倍，即

其中，f_n为原型中结构一阶自振频率。

进一步地，步骤S3的具体步骤为：

S301、将其中一台风速测试仪器置于突发阵风模拟装置内的中心，即测试位置上，同时将另一台风速测试仪器置于来流参考位置上；其中，来流参考位置为位于突发阵风模拟装置与粗糙元组之间且不处于突发阵风模拟装置的导流板与风洞侧壁之间的风道上的任意位置处；

S302、将风洞试验风速调至步骤S2中确定的试验风速U，同时在电动百叶窗的百叶的开合角度θ的调节范围内和电动马达的转动角速度ω的调节范围内调节θ和ω的取值，形成多组试验测试参数；

依次地，在每组试验测试参数下，分别对来流参考位置处和测试位置处的两台风速测试仪器以不超过0.01s的间隔时间记录瞬时脉动风速，以获取在整个采样时长期间来流参考位置的风速平均值U₀，测试位置在风速突变前、后的风速平均值U₁和U₂，及突变时长τ，进而得到突变加速度a＝(U₂-U₁)/τ；

S303、根据步骤S302的多组测试结果，确定风速标定系数：κ₀＝U₀/U，κ₁＝U₁/U₀，κ₂＝U₂/U₀；突变时长标定系数：κ_t＝τω/θ；则突变前后风速分别为U₁＝κ₀κ₁U、U₂＝κ₀κ₂U，突变加速度为

其中，κ₀、κ₂基本不随试验参数变化；κ₁与开合角度θ有关，其拟合方程为：κ₁＝f(θ)＝k₁θ+b₁；κ_t与电动马达的转动角速度ω有关，其拟合方程为：κ_t＝g(ω)＝k₂ω+b₂；其中，k₁、k₂、b₁和b₂均为拟合方程的拟合系数；

S304、根据经过步骤S2确定的突变后风速U₂及经过步骤S303确定的标定系数κ₀、κ₂，得到新试验风速U*＝U₂/(κ₀κ₂)；

根据经过步骤S2确定的突变前风速的平均值U₁及经过步骤S303确定的标定系数κ₁的拟合方程，得到百叶窗的百叶新初始开合角度

根据经过步骤S302确定的突变加速度a和标定系数κ_t的拟合方程确定经过T/2后百叶转动至完全闭合状态过程中的电动马达的转动角速度

S305、将风洞新试验风速调至U*，百叶窗的百叶初始开合角度调至θ*；待风速稳定后，再次对待测试位置(待测模型中心处)及来流参考位置(来流未受干扰处)的脉动风速开始测量，并以不超过0.01s的间隔时间记录一次脉动风速，在经过T/2后，电动马达启动并以ω*的转动速度继续转动百叶至开合角度变大。测量结束后，对来流参考位置风速时程进行分析，得到风速平均值U₀*；对待测试位置风速时程进行分析，得到风速突变前后的平均值U₁*、U₂*，及突变时长τ*，则新突变加速度为a*＝(U₂*-U₁*)/τ*；

S306、将步骤S203得到的风速突变前后的平均值U₁、U₂及突变加速度a与步骤S304得到的风速突变前后的平均值U₁*、U₂*及新突变加速度a*进行比较：

1)当两组数据中相同参量之间的偏差≤5％时，则经过步骤S304得到的新试验风速U*、百叶窗的百叶新初始开合角度为θ*和经过T/2后电动马达的转动速度ω*即为能够模拟与原型突发阵风等同的突发阵风状态模拟参数；

2)当两组数据中相同参量之间的偏差＞5％时，则对百叶窗的百叶新初始开合角度θ*和经过T/2后电动马达的转动速度ω*进行至少一次微调，并重复上述步骤S305，直至计算所得的风速突变前后的平均值U₁*、U₂*及新突变加速度a*与经过步骤S203得到的风速突变前后的平均值U₁、U₂及突变加速度a中相同参量之间的偏差≤5％。

进一步地，在上述步骤S306中，对百叶窗的百叶新初始开合角度θ*和经过T/2后电动马达的转动速度ω*进行微调的步骤为：将百叶窗的百叶新初始开合角度θ*微调为θ*-θ’，经过T/2后电动马达的转动速度ω*调为ω*-ω’，其中，θ’为百叶开合角度量程的10％，ω’为电动马达角速度量程的10％。

与现有技术相比，该港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及其试验方法能够有效模拟港口大型机械设备遇到突发阵风状况产生的非平稳动力冲击效应，为港口大型机械设备的抗风研究提供数据支撑，同时对特定地区特定气象条件下港口大型机械设备的抗风能力进行预测。

附图说明

图1为本发明的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置的结构示意图；

图2为本发明的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置的俯视图；

图3(a)为本发明的实施例2的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟试验方法中模拟得到的港机原型的风速时程图像；

图3(b)为本发明的实施例2的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟试验方法中模拟得到的港机原型的风力响应时程图像。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

以下以背景技术中青岛港阵风事故为例，通过对与事故中倒塌的一台集装箱的缩放模型为例，对本申请的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及其风洞模拟试验的具体实施方法进行说明。

实施例1

如图1所示，该港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置包括设置在风洞洞体5内的突发阵风模拟装置、设置在风洞进风端与突发阵风模拟装置之间的粗糙元组4、一台相对于实际的港口大型机械设备等比例缩放的待测模型1、目标测试设备以及两台风速测试仪器；其中，

突发阵风模拟装置为由两块导流板2和一扇电动百叶窗3形成的“凵”形半封闭结构；具体地，电动百叶窗3朝向风洞来风端竖向设置在风洞洞体5内，两块导流板2对称设置在电动百叶窗3两侧，使半封闭结构的开口侧朝向风洞另一端，两块导流板2与电动百叶窗3的两侧侧边密封连接固定为一体；

电动百叶窗3包括窗体和多条竖向设置在窗体内的条形叶片301，每条条形叶片301均与设置在窗体上的电动马达302连接，电动马达302与设置在窗体上的控制器303连接，以实现同步驱动所有条形叶片301达到初始开合角度θ，并于预定时间以转动角速度ω驱动所有条形叶片301转动至完全闭合状态；

粗糙元组4由分散且均布设置的多排的粗糙元构成，其布设在风洞进风端和环境模拟装置之间，模拟与实际一致的来流地貌；具体地，每个粗糙元具体为叠加设置的多个8cm×8cm×8cm混凝土方块。

待测模型1设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处，且其尺寸小于突发阵风模拟装置内部空间的尺寸；具体地，两块导流板2和电动百叶窗3的尺寸与港口大型机械设备缩放模型1的尺寸相适应，使待测试的港口大型机械设备缩放模型1能够完全置于该突发阵风模拟装置内侧中心位置处，且不与导流板2和电动百叶窗3的内侧壁面相接触；

其中，导流板2采用木制矩形板，其用于疏通气流，防止在百叶关闭时阻塞风洞，以及避免实验过程中装置两侧气流影响模拟精度；电动百叶窗3的条形叶片301均采用强度为390～420MPa的铝合金叶片，避免其在试验风速下产生过大变形；

目标测试设备与待测模型1相连接，具体包括但不限于用于模拟测压实验的压力测试系统、用于模拟测力实验的测力天平和/或用于模拟测振实验的振动测试及采集仪器；

两台风速测试仪器分别设置在突发阵风模拟装置内的中心位置B处和来流不受干扰的来流参考位置A处；具体地，其中一台风速测试仪器设置在突发阵风模拟装置与粗糙元组之间，即区域A的任意位置处，用于测试来流未受干扰状态下的脉动风速，另一台风速测试仪器和待测模型1根据测试需要设置在突发阵风模拟装置内，分别用于测试待测模型处的突发阵风是否满足预设要求，及测试待测模型在预设突发阵风环境下的响应结果。

实施例2

一种利用实施例1的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置实现的集装箱突发阵风响应风洞模拟试验方法，具体步骤如下：

S1、在风洞中架设突发阵风模拟装置，并于风洞进风端与突发阵风模拟装置之间布设粗糙元模拟来流地貌；

S2、根据原型风速参数获取突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，包括试验风速U、，同时设定突发阵风响应风洞模拟试验中的采样时长T和试验采样频率f_s；

该步骤S2的具体过程如下：

S201、设定风速比λ_U＝1/4，通过风速比公式：λ_U＝U/U_p确定试验风速U＝λ_U×U_p＝×16m/s＝4m/s，其中，U_p为原型风速；

S202、根据斯托罗哈相似准则，结合港口大型机械设备缩放模型与港口大型机械设备原型的几何缩尺比λ_L＝L/L_p＝1/150确定频率比λ_f＝λ_U/λ_L＝37.5，其中，L为模型尺寸，L＝80m，L_p为原型尺寸，L_p＝0.53m；从而确定时间比λ_T＝λ_L/λ_U＝1/37.5和加速度比λ_a＝λ_U/λ_T＝75/8；

S203、根据2018年6月我国青岛港装箱岸桥倒塌事件当时的气象记录数据，原型风速突变加速度a_p＝1m/s²，及原型突变前风速U_1p＝U_p＝16m/s得到原型突变后风速U_2p＝37.3m/s，进而确定试验突变前风速的平均值U₁＝U_1pλ_U＝4m/s、试验突变后风速U₂＝U_2pλ_U＝9.325m/s、及突变加速度a＝a_pλ_a＝9.375m/s²；

S204、设定试验采样时长T＝120s和采样频率f_s＝1000Hz；

S3、根据步骤S2获取的突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，确定电动百叶窗的全部百叶的初始开合角度θ，以及经过T/2后全部百叶转动至完全闭合状态过程中的转动角速度ω，以实现模拟与原型突发阵风等同的突发阵风状态；

该步骤S3的具体步骤为：

S301、将其中一台风速测试仪器置于突发阵风模拟装置内的中心，即测试位置上，同时将另一台风速测试仪器置于来流参考位置上；

其中，来流参考位置为来流不受到干扰处，具体指位于突发阵风模拟装置与粗糙元组之间，且不处于突发阵风模拟装置的导流板与风洞侧壁之间的风道上的任意位置处；

S302、将风洞试验风速调至步骤S2中确定的试验风速U＝10m/s，同时在电动百叶窗的百叶的开合角度θ的调节范围(0～90°)内和电动马达的转动角速度ω的调节范围(0.1rsd/s～1rad/s)内调节θ和ω的取值，形成多组试验测试参数；

具体地，多组试验参数采用单一变量的方式，首先基于电动百叶窗的百叶开合角度调节范围为0～90°，确定电动百叶窗的百叶初始开合角度θ依次设定为30°、60°、90°、120°、150°和180°，然后基于电动马达的转动速度调节方位为30°～90°，在每个确定的初始开合角度θ条件下，依次设定转动角速度ω为0.2rsd/s、0.4rsd/s、0.6rsd/s、0.8rsd/s和1.0rsd/s，得到共计30组试验测试参数；

依次地，在每组试验测试参数下，分别对来流参考位置处和测试位置处的两台风速测试仪器以0.001s的间隔时间记录瞬时脉动风速，以获取在整个采样时长期间来流参考位置的风速平均值U₀＝10.2m/s，测试位置在风速突变前、后的风速平均值U₁＝3.9m/s和U₂＝9.4m/s，及突变时长τ＝0.60s，进而得到突变加速度a＝(U₂-U₁)/τ＝9.17m/s²；

S303、根据步骤S302的多组测试结果，确定风速标定系数：κ₀＝U₀/U，κ₁＝U₁/U₀，κ₂＝U₂/U₀；突变时长标定系数：κ_t＝τω/θ；则突变前后风速分别为U₁＝κ₀κ₁U、U₂＝κ₀κ₂U，突变加速度为

根据计算结果，κ₀、κ₂基本不随试验参数变化；κ₁与电动马达角度θ有关，其拟合方程为：κ₁＝f(θ)＝k₁θ+b₁；κ_t与电动马达的转动角速度ω有关，其拟合方程为：κ_t＝g(ω)＝k₂ω+b₂；其中，k₁、k₂、b₁和b₂均为拟合方程的拟合系数；

S304、根据经过步骤S2确定的突变后风速U₂及经过步骤S303确定的标定系数κ₀、κ₂，得到新试验风速U*＝U₂/(κ₀κ₂)＝10.2m/s；

根据经过步骤S2确定的突变前风速的平均值U₁及经过步骤S303确定的标定系数κ₁的拟合方程，得到百叶窗的百叶新初始开合角度

根据经过步骤S302确定的突变加速度a和标定系数κ_t的拟合方程确定经过T/2后百叶转动至完全闭合状态过程中的马达的转动角速度

S305、将风洞试验风速调至U*＝10.2m/s，百叶窗的百叶新初始开合角度为θ*＝35°；待风速稳定后，再次对待测试位置(待测模型中心处)及来流参考位置(来流未受干扰处)的脉动风速开始测量，并以0.001s的间隔时间记录一次脉动风速，在经过T/2后，电动马达启动并以ω*＝0.85rad/s的转动速度继续转动百叶至开合角度变大；测量结束后，对来流参考位置风速时程进行分析，得到风速平均值U₀*；对待测试位置风速时程进行分析，得到风速突变前后的平均值U₁*＝3.9m/s、U₂*＝9.4m/s，及突变时长τ*＝0.60s，则新突变加速度为a*＝(U₂*-U₁*)/τ*＝9.17m/s²。

S306、将经过步骤S203得到的风速突变前后的平均值U₁、U₂及突变加速度a与经过步骤S304得到的风速突变前后的平均值U₁*、U₂*及新突变加速度a*进行比较，其中，U₁与U₁*之间的偏差为2.5％，U₂与U₂*之间的偏差为0.008％，a与a*之间的偏差为2.18％，由于各相同参量之间偏差均＜5％，因此经过步骤S304得到的新试验风速U*、百叶窗的百叶新初始开合角度θ*和经过T/2后电动马达的转动速度ω*即可确认为能够模拟与原型突发阵风等同的突发阵风状态模拟参数；

S4、将待测试位置的风速测试仪器移除，并在该位置处安装待测模型，将用于测力实验的测力天平与待测模型连接，进行风洞模拟试验；接着，将风洞试验风速调至U*，并将百叶窗的百叶初始开合角度调整为θ*，待风速稳定后，设置在来流参考位置的风速测试仪器和设置在待测试位置的目标测试设备开始进行数据测量，并于T/2后启动电动马达以转速ω驱动百叶的开合角度变化至180°，即得到待测模型在突发阵风作用下的风速响应时程曲线和风致滑移力(即基底风力和模型基底风力矩)的相应时程曲线；

S5、将经过步骤S4的风洞试验的模拟测量数据按照步骤S2的几何缩尺比换算为原型的相应数据，其具体计算公式为：

原型基底风力＝模型基底风力/λ_U ²λ_L ²；

原型基底风力矩＝模型基底风力矩/λ_U ²λ_L ³。

如图3(a)所示为换算得到的港机原型的风速时程图像；如图3(b)所示为换算得到的港机原型的风力响应时程图像。

因此，结合当时现场港机0.5Hz的自振频率，该风速突变对港口岸桥起重机具有很大的冲击放大效应，因而在当时的突发阵风作用下必然导致港机产生动态滑移破坏现象。

Claims (7)

1.一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置，其特征在于，包括设置在风洞洞体内的突发阵风模拟装置、设置在风洞进风端与突发阵风模拟装置之间的粗糙元组、一台相对于实际的港口大型机械设备等比例缩放的待测模型、目标测试设备以及两台风速测试仪器；其中，突发阵风模拟装置为由两块导流板(2)和一扇电动百叶窗(3)形成的“凵”形半封闭结构；电动百叶窗(3)朝向风洞来风端竖向设置在风洞洞体内，两块导流板(2)对称设置在电动百叶窗(3)两侧，使半封闭结构的开口侧朝向风洞另一端，两块导流板(2)与电动百叶窗(3)的两侧侧边密封连接固定为一体；电动百叶窗(3)包括窗体和多条竖向设置在窗体内的条形叶片(301)，每条条形叶片(301)均与设置在窗体上的电动马达(302)连接，电动马达(302)与设置在窗体上的控制器(303)连接，以实现同步驱动所有条形叶片(301)达到初始开合角度θ，并于预定时间以转动角速度ω，驱动所有条形叶片(301)转动至完全闭合状态；粗糙元组由分散且均布设置的多排的粗糙元构成，其布设在风洞进风端和突发阵风模拟装置之间，模拟与实际一致的来流地貌；待测模型设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处，且其尺寸小于突发阵风模拟装置内部空间的尺寸；目标测试设备与待测模型相连接；两台风速测试仪器分别设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处和来流不受干扰的来流参考位置处。

2.根据权利要求1所述的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置，其特征在于，导流板(2)为木制矩形板；电动百叶窗(3)的条形叶片(301)采用强度为390～420MPa的铝合金叶片。

3.一种根据权利要求1所述的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置的试验方法，其特征在于，步骤如下：

S1、在风洞中架设突发阵风模拟装置，并于风洞进风端与突发阵风模拟装置之间布设粗糙元模拟来流地貌；

S2、根据斯托罗哈相似准则，将原型风速参数等比例换算为突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，包括风洞试验风速U、风速突变前后的平均值U₁、U₂及突变加速度a，同时设定突发阵风响应风洞模拟试验中的试验采样时长T和试验采样频率f_s；

S3、根据步骤S2获取的突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，确定电动百叶窗的全部百叶的初始开合角度θ，以及经过T/2后全部百叶转动至完全闭合状态过程中的转动角速度ω，以实现模拟与原型突发阵风等同的突发阵风状态；

S4、将待测试位置的风速测试仪器移除，并在该位置处安装待测模型，将目标测试设备与待测模型连接，进行风洞模拟试验；其中，目标测试设备包括用于模拟测压实验的压力测试系统、用于模拟测力实验的测力天平或用于模拟测振实验的振动测试及采集仪器；接着，将风洞试验风速调至U*，并将百叶窗的百叶初始开合角度调整为θ*，待风速稳定后，设置在来流参考位置的风速测试仪器和设置在待测试位置的目标测试设备开始进行数据测量，并于T/2后启动电动马达以转动角速度ω驱动百叶的开合角度变化至180°，即得到待测模型在突发阵风作用下的风荷载/响应时程曲线；

S5、将经过步骤S4的风洞试验的模拟测量数据按照步骤S2的几何缩尺比换算为原型的相应数据，其具体换算方法为：

1)针对模拟测压实验，原型压力＝模型压力/λ_U ²；

2)针对模拟测力实验，原型基底风力＝模型基底风力/λ_U ²λ_L ²，原型基底风力矩＝模型基底风力矩/λ_U ²λ_L ³；

3)针对模拟测振实验，原型位移响应＝模型位移响应/λ_L，原型加速度响应＝模型加速度响应/λ_a；

其中，λ_U为风速比；λ_L为港口大型机械设备缩放模型与港口大型机械设备原型的几何缩尺比；λ_a为加速度比。

4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：

S201、设定风速比λ_U，通过风速比公式：λ_U＝U/U_p确定风洞试验风速U，其中，U_p为原型风速；

S202、根据斯托罗哈相似准则，结合港口大型机械设备缩放模型与港口大型机械设备原型的几何缩尺比λ_L＝L/L_p确定频率比λ_f＝λ_U/λ_L，其中，L为模型尺寸，L_p为原型尺寸；从而确定时间比λ_T＝λ_L/λ_U和加速度比λ_a＝λ_U/λ_T；

S203、设定原型风速突变加速度a_p，根据原型突变前风速U_1p得到原型突变后风速U_2p，进而确定试验风速突变前的平均值U₁＝U_1pλ_U、试验风速突变后的平均值U₂＝U_2pλ_U、及突变加速度a＝a_pλ_a。

5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，试验采样时长T≥600λ_T，试验采样频率

其中，f_n为原型中结构一阶自振频率。

6.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤为：

S301、将其中一台风速测试仪器置于突发阵风模拟装置内的中心，即测试位置上，同时将另一台风速测试仪器置于来流参考位置上；其中，来流参考位置为位于突发阵风模拟装置与粗糙元组之间且不处于突发阵风模拟装置的导流板与风洞侧壁之间的风道上的任意位置处；

S302、将风洞试验风速调至步骤S2中确定的风洞试验风速U，同时在电动百叶窗的百叶的初始开合角度θ的调节范围内和电动马达的转动角速度ω的调节范围内调节θ和ω的取值，形成多组试验测试参数；

依次地，在每组试验测试参数下，分别对来流参考位置处和测试位置处的两台风速测试仪器以不超过0.01s的间隔时间记录瞬时脉动风速，以获取在整个采样时长期间来流参考位置的风速平均值U₀，测试位置在风速突变前、后的风速平均值U₁和U₂，及突变时长τ，进而得到突变加速度a＝(U₂-U₁)/τ；

S303、根据步骤S302的多组测试结果，确定风速标定系数：κ₀＝U₀/U，κ₁＝U₁/U₀，κ₂＝U₂/U₀；突变时长标定系数：κ_t＝τω/θ；则突变前后风速分别为U₁＝κ₀κ₁U、U₂＝κ₀κ₂U，突变加速度为

其中，κ₀、κ₂基本不随试验参数变化；κ₁与初始开合角度θ有关，其拟合方程为：κ₁＝f(θ)＝k₁θ+b₁；κ_t与电动马达的转动角速度ω有关，其拟合方程为：κ_t＝g(ω)＝k₂ω+b₂；其中，k₁、k₂、b₁和b₂均为拟合方程的拟合系数；

S304、根据经过步骤S2确定的风速突变后风速的平均值U₂及经过步骤S303确定的标定系数κ₀、κ₂，得到新试验风速U*＝U₂/(κ₀κ₂)；

根据经过步骤S2确定的风速突变前的平均值U₁及经过步骤S303确定的标定系数κ₁的拟合方程，得到百叶窗的百叶新初始开合角度

根据经过步骤S302确定的突变加速度a和突变时长标定系数κ_t的拟合方程确定经过T/2后百叶转动至完全闭合状态过程中的电动马达的转动角速度

S305、将风洞试验风速调至U*，百叶窗的百叶初始开合角度调至θ*；待风速稳定后，再次对待测试位置，即待测模型中心处及来流参考位置，即来流未受干扰处的脉动风速开始测量，并以不超过0.01s的间隔时间记录一次脉动风速，在经过T/2后，电动马达启动并以ω*的转动角速度继续转动百叶至开合角度变大；测量结束后，对来流参考位置风速时程进行分析，得到风速平均值U₀*；对待测试位置风速时程进行分析，得到新风速突变前后的平均值U₁*、U₂*，及新突变时长τ*，则新突变加速度为a*＝(U₂*-U₁*)/τ*；

S306、将步骤S302得到的风速突变前后的平均值U₁、U₂及突变加速度a与步骤S305得到的新风速突变前后的平均值U₁*、U₂*及新突变加速度a*进行比较：

1)当两组数据中相同参量之间的偏差≤5％时，则经过步骤S304得到的新试验风速U*、百叶窗的百叶新初始开合角度为θ*和经过T/2后电动马达的转动角速度ω*即为能够模拟与原型突发阵风等同的突发阵风状态模拟参数；

2)当两组数据中相同参量之间的偏差＞5％时，则对百叶窗的百叶新初始开合角度为θ*和经过T/2后电动马达的转动角速度ω*进行至少一次微调，并重复上述步骤S305，直至计算所得的新风速突变前后的平均值U₁*、U₂*及新突变加速度a*与经过步骤S302得到的风速突变前后的平均值U₁、U₂及突变加速度a中相同参量之间的偏差≤5％。

7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，对百叶窗的百叶新初始开合角度θ*和经过T/2后电动马达的转动角速度ω*进行微调的步骤为：将百叶窗的百叶新初始开合角度θ*微调为θ*-θ’，经过T/2后电动马达的转动角速度ω*调为ω*-ω’，其中，θ’为百叶开合角度量程的10％，ω’为电动马达角速度量程的10％。

Images