CN111198090A - 一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头及其试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头及其试验方法，探头包括探头主体、第一探针、第二探针和第三探针；探头主体上开设有第一通道、第二通道和第三通道，第一通道、第二通道和第三通道的底部均延伸出探头主体；第一探针的顶端与探头主体上端面平齐，且第一探针的底端与第一通道连通；第二探针嵌套于第一探针，且第二探针的顶端高于探头主体上端面h1mm，第二探针的底端与第二通道连通；第三探针嵌套于第二探针，且第三探针的顶端高于探头主体上端面h2m，第三探针的底端与第三通道连通；h2的大小大于h1的大小。本发明可精准测量壁面摩擦速度，用于风洞试验测试风环境流场测量提供重要测试方法。

Description

一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头及其试验方法
技术领域
本发明涉及风洞试验风环境测试技术领域，更具体的说是涉及一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头及其试验方法。
背景技术
壁面风速是风环境测试风洞试验中的重要测试参数，探头能够测试壁面上方某一高度处的风速，并广泛地应用于风环境测试试验中。
但是，壁面附近风速变化剧烈，难以用某一高度处的风速代表，一般需要摩擦风速来表征壁面的摩阻特性，尤其是在堆场起尘测试试验中，需要得到壁面摩擦风速来精准测定起尘风速和起尘量。而目前尚无测试壁面摩擦风速的精准测试手段和试验方法，制约了该类试验测试的有效性。
因此，提供一种风洞试验中能够精准测量壁面摩擦速度的探头及其试验方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头及其试验方法，能够精准测量壁面摩擦风速进而测定起尘风速和起尘量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，包括探头主体、第一探针、第二探针和第三探针；
所述探头主体上开设有第一通道、第二通道和第三通道，所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道的底部均延伸出所述探头主体；
所述第一探针的顶端与所述探头主体上端面平齐，且所述第一探针的底端与所述第一通道连通；
所述第二探针嵌套于所述第一探针，且所述第二探针的顶端高于所述探头主体上端面h1mm，所述第二探针的底端与所述第二通道连通；
所述第三探针嵌套于所述第二探针，且所述第三探针的顶端高于所述探头主体上端面h2m，所述第三探针的底端与所述第三通道连通；所述h2的大小大于所述h1的大小。
进一步的，所述第一探针的直径大于所述第二探针的直径，所述第二探针的直径大于所述第三探针的直径。
进一步的，所述第一探针的直径为2mm，所述第二探针的直径为1.5mm，所述第三探针的直径为1.2mm。
进一步的，所述h1的大小不超过壁面边界的厚度。
进一步的，所述h1为1-2mm。
进一步的，所述h2的大小为壁面风速测试高度。
进一步的，所述h2为1-2m。
通过采取以上方案，本发明的有益效果是：
探头主体上安装与探头主体上端面平齐以及超过上端面h1、h2高度的三根嵌套的探针，可精准测量壁面摩擦速度，用于风洞试验测试风环境流场测量提供重要测试方法，尤其适用于人行高度风环境测试、道路及堆场起尘测定等试验。
一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头所实施的试验方法，包括以下步骤：
1)确定模型缩尺比，第二探针伸出探头主体的高度h1及第三探针伸出探头主体的高度h2，并按比例制作模型和探头；
2)对探头进行标定：将探头及皮托管或风速测量装置固定在风洞相同位置，开启风机，分别测量第一探针、第二探针、第三探针的风压P0–Pi，其中i＝1,2，及皮托管或风速测量装置的风速Ui，绘制风速Ui与压差平方根(Pi–P0)0.5的散点曲线并用下列公式进行线性拟合，得到标定系数a和b，
Figure BDA0002367714360000021
3)将探头安装在模型的待测位置上，探头主体上端面与模型表面平齐，并分别将第一通道、第二通道和第三通道用PVC测压管与压力测试设备连接，模型固定在风洞测试位置；
4)将风速加至测试风速，测量第一探针、第二探针、第三探针的风压P0–Pi，得到压力数据；
5)根据压力数据利用标定结果按上述公式分别计算第二探针在高度h1上的风速U1，及第三探针在高度h2上的风速U2；并按下列公式计算速度梯度k以及摩擦速度u*，
Figure BDA0002367714360000031
Figure BDA0002367714360000032
其中，μ为空气的动力粘性系数，ρ为密度。
进一步的，风速测量装置为热线风速仪或三维脉动风速仪。
通过采取以上方案，本发明的有益效果是：
不同高度的第一探针、第二探针、第三探针分别测量其上的压力P0、P1和P2，通过压差可推算出待测壁面上表面的压差，进而得到壁面摩擦速度，进而可精准测量壁面摩擦速度，用于风洞试验测试风环境流场测量提供重要测试方法，尤其适用于人行高度风环境测试、道路及堆场起尘测定等试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头的主视结构示意图；
图2附图为本发明提供的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头的俯视结构示意图；
图3附图为本发明提供的探头在每个堆垛测试位置示意图；
图4附图为本发明提供的摩擦风速探头标定结果曲线图。
图中：1-探头主体，2-第一探针，3-第二探针，4-第三探针，11-第一通道，12-第二通道，13-第三通道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，本发明实施例公开了一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，包括探头主体1、第一探针2、第二探针3和第三探针4；探头主体1上开设有第一通道11、第二通道12和第三通道13，第一通道11、第二通道12和第三通道13的底部均延伸出探头主体1；第一探针2的顶端与探头主体1上端面平齐，且第一探针2的底端与第一通道11连通；第二探针3嵌套于第一探针1，且第二探针3的顶端高于探头主体1上端面h1mm，第二探针3的底端与第二通道12连通；第三探针4嵌套于第二探针3，且第三探针4的顶端高于探头主体1上端面h2m，第三探针4的底端与第三通道13连通；h2的大小大于h1的大小。本发明探头主体1上安装与探头主体1上端面平齐以及超过上端面h1、h2高度的三根嵌套的探针，可精准测量壁面摩擦速度，用于风洞试验测试风环境流场测量提供重要测试方法，尤其适用于人行高度风环境测试、道路及堆场起尘测定等试验。
具体的，第一探针2的直径大于第二探针3的直径，第二探针3的直径大于第三探针4的直径。
具体的，第一探针2的直径为2mm，第二探针3的直径为1.5mm，第三探针4的直径为1.2mm。
具体的，h1的大小不超过壁面边界的厚度。
具体的，h1为1-2mm。
具体的，h2的大小为壁面风速测试高度。
具体的，h2为1-2m。
本发明实施例还公开了一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头所实施的试验方法，包括以下步骤：
1)确定模型缩尺比，第二探针3伸出探头主体1的高度h1及第三探针4伸出探头主体1的高度h2，并按比例制作模型和探头；
2)对探头进行标定：将探头及皮托管或风速测量装置固定在风洞相同位置，开启风机，分别测量第一探针2、第二探针3、第三探针4的风压P0–Pi，其中i＝1,2，及皮托管或风速测量装置的风速Ui，绘制风速Ui与压差平方根(Pi–P0)0.5的散点曲线并用下列公式进行线性拟合，得到标定系数a和b，
Figure BDA0002367714360000051
3)将探头安装在模型的待测位置上，探头主体上端面与模型表面平齐，并分别将第一通道11、第二通道12和第三通道13用PVC测压管与压力测试设备连接，模型固定在风洞测试位置；
4)将风速加至测试风速，测量第一探针2、第二探针3、第三探针4的风压P0–Pi，得到压力数据；
5)根据压力数据利用标定结果按上述公式分别计算第二探针3在高度h1上的风速U1，及第三探针4在高度h2上的风速U2；并按下列公式计算速度梯度k以及摩擦速度u*，
Figure BDA0002367714360000052
Figure BDA0002367714360000053
其中，μ为空气的动力粘性系数，ρ为密度。
本发明通过不同高度的第一探针2、第二探针3、第三探针4分别测量其上的压力P0、P1和P2，通过压差可推算出待测壁面上表面的压差，进而得到壁面摩擦速度，进而可精准测量壁面摩擦速度，用于风洞试验测试风环境流场测量提供重要测试方法，尤其适用于人行高度风环境测试、道路及堆场起尘测定等试验。
具体的，风速测量装置为热线风速仪或三维脉动风速仪。
应用案例：
测量某电厂堆场煤堆表面的摩擦风速。4个并列布置堆垛长244m，宽62m，高16.5m，静息角45°，间距10m；
模型比例定为1:250，高度h1取为1mm，h2取为1m，每个堆垛布置16个探头，测试位置如图3所示。
制作模型及探头，对探头进行标定，标定风速为6～14m/s，标定结果如图4所示。
对堆垛表面摩擦风速进行风洞试验测量，试验风速取10m/s，通过上述步骤5)得到堆垛表面摩擦风速，根据我国环境保护部《扬尘源颗粒物排放清单编制技术指南》，电厂煤粉尘堆起尘的阈值摩擦风速0.54m/s，由测试结果可明显看出各煤堆的起尘量，并可通过上述指南推荐的公式进一步精确计算起尘排放因子。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，其特征在于，包括探头主体、第一探针、第二探针和第三探针；
所述探头主体上开设有第一通道、第二通道和第三通道，所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道的底部均延伸出所述探头主体；
所述第一探针的顶端与所述探头主体上端面平齐，且所述第一探针的底端与所述第一通道连通；
所述第二探针嵌套于所述第一探针，且所述第二探针的顶端高于所述探头主体上端面h1mm，所述第二探针的底端与所述第二通道连通；
所述第三探针嵌套于所述第二探针，且所述第三探针的顶端高于所述探头主体上端面h2m，所述第三探针的底端与所述第三通道连通；所述h2的大小大于所述h1的大小。
2.根据权利要求1所述的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，其特征在于，所述第一探针的直径大于所述第二探针的直径，所述第二探针的直径大于所述第三探针的直径。
3.根据权利要求2所述的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，其特征在于，所述第一探针的直径为2mm，所述第二探针的直径为1.5mm，所述第三探针的直径为1.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，其特征在于，所述h1的大小不超过壁面边界的厚度。
5.根据权利要求4所述的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，其特征在于，所述h1为1-2mm。
6.根据权利要求1所述的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，其特征在于，所述h2的大小为壁面风速测试高度。
7.根据权利要求6所述的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头，其特征在于，所述h2为1-2m。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头所实施的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定模型缩尺比，第二探针伸出探头主体的高度h1及第三探针伸出探头主体的高度h2，并按比例制作模型和探头；
2)对探头进行标定：将探头及皮托管或风速测量装置固定在风洞相同位置，开启风机，分别测量第一探针、第二探针、第三探针的风压P0–Pi，其中i＝1,2，及皮托管或风速测量装置的风速Ui，绘制风速Ui与压差平方根(Pi–P0)0.5的散点曲线并用下列公式进行线性拟合，得到标定系数a和b，
Figure FDA0002367714350000021
3)将探头安装在模型的待测位置上，探头主体上端面与模型表面平齐，并分别将第一通道、第二通道和第三通道用PVC测压管与压力测试设备连接，模型固定在风洞测试位置；
4)将风速加至测试风速，测量第一探针、第二探针、第三探针的风压P0–Pi，得到压力数据；
5)根据压力数据利用标定结果按上述公式分别计算第二探针在高度h1上的风速U1，及第三探针在高度h2上的风速U2；并按下列公式计算速度梯度k以及摩擦速度u*，
Figure FDA0002367714350000022
Figure FDA0002367714350000023
其中，μ为空气的动力粘性系数，ρ为密度。
9.根据权利要求8所述的一种风洞试验中测量壁面摩擦速度的探头所实施的试验方法，其特征在于，风速测量装置为热线风速仪或三维脉动风速仪。
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