CN111307394B - 一种多级动力可控回流式风洞 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多级动力可控回流式风洞，涉及风洞试验装置技术领域，包括：呈“回”字形的具有循环通路的风洞本体，风洞本体上依次设有回流段、进口稳定段、收缩段、试验段、扩展段和出口稳定段，回流段上设有多台输出风风向相同的动力风机，试验段设有置物台，风洞本体的外壁上与置物台相对应的位置设有观察窗，观察窗上设有有透明的可拆卸的窗盖，出口稳定段设有检测传感器，该实验装置解决了现有风洞试验装置动力不足，结构复杂、成本高的问题，在风洞本体中设置多台动力风机，满足多级动力控制需求，结构简单，调节方便。

Description

一种多级动力可控回流式风洞

技术领域

本发明涉及风洞试验装置技术领域，具体涉及一种多级动力可控回流式风洞。

背景技术

风洞即风洞实验室，是通过人工的方式产生并控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并测试出气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最有效、最常用的工具之一。如在川藏铁路的建设中，川藏铁路平均海拔高，隧道比例大，当高速列车反复进出川藏铁路的长大隧道群，受隧道壁面与列车外壁面空间限制，列车在进出高海拔长大隧道各阶段，其周边将产生具有复杂流场特性的活塞风，速度、温度、压力等流体参数都会发生变化，进而导致车顶相关高压设备外绝缘系统表面产生压强瞬变效应，影响电气设备的安全运行。因此需要以人工改造的方式在风洞中再现设备的运行情况，检测相应参数对设备进行改造，风洞试验对川藏铁路的建设十分重要。

目前中国已经拥有低速、高速、超高速以及激波、电弧等风洞。现有的风洞设备存在气压调节困难、实验周期长、成本高、无法满足学校实验室或者其他小型实验室的相关实验要求，不利于学生或科研人员进行学习或研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多级动力可控回流式风洞，该实验装置在风洞本体中设置多台动力风机，满足多级动力控制需求，结构简单，调节方便。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种多级动力可控回流式风洞，包括：呈“回”字形的具有循环通路的风洞本体，风洞本体上依次设有回流段、进口稳定段、收缩段、试验段、扩展段和出口稳定段，回流段上设有多台输出风风向相同的动力风机，试验段设有置物台，风洞本体的外壁上与置物台相对应的位置设有观察窗，观察窗上设有有透明的可拆卸的窗盖，出口稳定段设有检测传感器。

该装置中采用具有循环通路的风洞本体，风洞本体分为回流段、进口稳定段、收缩段、试验段、扩展段和出口稳定段，气流通过进口稳定段达到稳定的状态，经收缩段进一步稳定和加速，之后进入试验段，试验段主要用于放置试验主体进行试验，试验段出口设有扩展段和出口稳定段，以保证位于中部的试验段气流相对稳定，回流段主要用于形成气流循环。风洞本体上设有多台风机，通过多台风机在风洞本体内形成试验环境，多台动力风机独立控制、单独调节，相互配合实现风洞本体中环境的调节，风洞本体中设置检测传感器，用于检测风洞本体中的环境参数，为动力风机的调节提供依据，从而使风洞本体中形成所需的试验环境，置物台上用于放置试验主体，通过观察窗可以取放试验主体，也可以对试验主体进行观察和拍摄以获得相应的试验数据，窗盖可根据需要进行拆卸和安装，便于取放试验主体，也便于密封风洞本体进行试验时的观察。动力风机的数量不做具体限制，可根据实际试验需求进行设置，另外，各台动力风机在回流段的间距也不做具体限定，原则上应均匀布置，以形成稳定的试验气流为准。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，检测传感器包括：速度传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器，速度传感器、压力传感器、温度传感器和湿度传感器的探头分别设置在风洞本体内。

速度传感器用于测量风洞本体内气流的速度，压力传感器用于测量风洞本体内气流的压力、温度传感器用于测量风洞本体内气流的温度、湿度传感器用于测量风洞本体内气流的湿度，通过对风洞本体中气流速度、压力、温度以及湿度的检测，以为达到不同试验条件的调节提供参考数据。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，多台动力风机分别设有内部出风管和外部出风管，内部出风管和外部出风管分别设置在风洞本体内、外，多个内部出风管的出风口沿风洞本体的轴线方向设置。

动力风机通过内部出风管以及外部出风管，既可以从外界向风洞本体内输入气流，又可以从风洞本体内向外部环境输出气流，还可以在维持风洞本体内气压的情况下，对气流速度进行调节，从而实现风本体内气流量和气流速度得到很好的调节，以调节不同风速、不同压强来满足不同的试验要求。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，回流段的一端与进口稳定段连接，回流段的另一端与出口稳定段连接，回流段、进口稳定段、收缩段、试验段、扩展段和出口稳定段形成循环通路，进口稳定段和出口稳定段的截面半径处处相等，收缩段从进口稳定段向试验段方向延伸的截面半径线性减小，试验段的截面半径处处相等，扩展段从试验段向出口稳定段方向延伸的截面半径线性增大，进口稳定段和出口稳定段的截面半径相等。

扩展段的进口处与试验段的出口连接，即扩展段的进口处的截面半径与试验段的截面半径相等，扩展段的出口端与出口稳定段的入口连接，即扩展段的出口端的截面半径与出口稳定段的截面半径相等，由于扩展的截面半径从试验段向出口稳定段的方向上线型增大，因此同一个风洞本体中，出口稳定段的截面面积和试验段的截面面积存在确定的比例关系，因此根据度传感器和压力传感器测得出口稳定段的速度和压力后可通过换算获得试验段的气流速度和气流压强。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，风洞本体的转弯处设有弧形的导流片。

导流片可以使气流顺利弯转，减少能量损失，还可以调节气流速度，不同拐弯处的导流片可以分别进行调节。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，风洞本体采用刚性材质。

风洞本体采用刚性材质以承受在低气压高速度情况下的气流压力冲击，

进一步地，在本发明较佳的实施例中，风洞本体的外壁上设有绝缘涂层。

刚性风洞本体的外侧设置绝缘涂层，避免风洞结构带电运行。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，窗盖采用透明的亚克力板。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用具有循环通路的风洞本体，在风洞本体上设置多台动力风机提供风洞试验所需的气流条件，多级动力的方式对风洞内的气流速度进行调节，速度可调范围大，可以实现气流的高速运行，解决了单个电机动力不足的问题；

2、多台风机分别设有内部出风管和外部出风管，通过多台动力风机相互配合使用，可以实现气压和速度的准确调节，实现了对不同海拔地区的实验条件进行模拟的目的，解决了不同海拔环境下高速气流试验困难的问题。

3、与具有单独的气流动力源的风洞试验装置相比，该装置在实现气流多级控制的同时，具有更小的体积，更高的稳定性，不会因单独的动力源出现问题而导致试验无法进行；实验成本低、实验周期短，可以对试验进行多次重复进行，以确保试验结果的可靠性；

4、该风洞本体整体采用刚性材质以承受在低气压高速度情况下的气流压力冲击，刚体外侧采用绝缘材料进行涂覆，可有效避免风洞结构带电运行。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图。

其中：1-回流段；2-进口稳定段；3-收缩段；4-试验段；41-置物台；42-观察窗；5-扩展段；6-出口稳定段；61-速度传感器；62-压力传感器；63-温度传感器；64-湿度传感器；7-动力风机；71-内部出风管；72-外部出风管；8-导流片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

请参照图1，一种多级动力可控回流式风洞，包括：呈“回”字形的具有循环通路的风洞本体，风洞本体采用刚性材质，风洞本体的外壁上设有绝缘涂层。在本实施例中，风洞本体为矩形结构，风洞本体的四个转弯处设有弧形的导流片8。风洞本体上依次设有回流段1、进口稳定段2、收缩段3、试验段4、扩展段5和出口稳定段6，在本实施例中，进口稳定段2、收缩段3、试验段4、扩展段5和出口稳定段6均设置在矩形的下边上，试验段4的进口截面为矩形，进口截面尺寸为2.5m*3.0m，试验段4进口截面最大风速为100m/s，收缩段3的收缩比为7，回流段1的一端与进口稳定段2连接，回流段1的另一端与出口稳定段6连接，回流段1、进口稳定段2、收缩段3、试验段4、扩展段5和出口稳定段6形成循环通路，进口稳定段2和出口稳定段6的截面半径处处相等，收缩段3从进口稳定段2向试验段4方向的截面半径线性减小，试验段4的截面半径处处相等，扩展段5从试验段4向出口稳定段6方向的截面半径线性增大，入口稳定段和出口稳定段6的截面半径相等。

回流段1设有四台输出风风向相同的动力风机7，其中两台动力风机7设置在矩形的风洞本体的顶边上，另外两台动力风机7分别设置在进口稳定段2前方和出口稳定段6后方，四台动力风机7分别设有内部出风管71和外部出风管72，内部出风管71设置在风洞本体内，外部出风管72设置在风洞本体外，多个内部出风管71的出风口沿风洞本体的轴线方向设置，在本实施例中，风洞本体中的气流呈逆时针流动。

试验段4设有置物台41，风洞本体的外壁上与置物台41相对应的位置设有观察窗42，观察窗42上设有有透明的可拆卸的窗盖，窗盖采用透明的亚克力板。

出口稳定段6设有检测传感器，检测传感器包括：速度传感器61、压力传感器62、温度传感器63和湿度传感器64，速度传感器61、压力传感器62、温度传感器63和湿度传感器64的探头设置在风洞本体内。

使用过程：试验时确定好相应的试验条件，将观察窗42处的窗盖打开，通过观察窗42将试验主体固定到试验段4的试验置物台41上，关闭窗盖。试验所需风速比较小时可以开启部分动力风机7，试验所需风速较大时可以将四个动力风机7全都打开。试验人员根据试验需求选择启动动力风机7的个数以及调节动力风机7的进风量以获得相应的气压试验条件。四个动力风机7通过动力风机7内部出风管71和外部出风管72，既可以向风洞本体内注入气流也可以排出风洞本体内的气流以调节所需气流压强，四个动力风机7相互配合达到所需试验条件。气流经过入口稳定段获得稳定气流后到达收缩段3，气流速度得到一定加速，之后到达试验段4处的试验主体，对试验主体进行作用，之后到达扩展段5，之后到出口稳定段6，最后进入回流段1。在转弯处，经导流片8导流，导流片8促进气流转弯，减少能量损失。气流通过回流段1再次回到入口稳定段实现气流的循环流动。通过速度传感器61获得风洞内的气流速度，通过压力传感器62获得风洞内的气流压力。并通过换算获得试验段4的气流速度和压强是否达到试验要求，以适度调节试验所需的试验环境，从而对试验主体进行相应的试验。并通过观察窗42口对试验现象进行观察和拍摄。温度传感器63对风洞内的温度进行测试，湿度传感器64对风洞内的湿度进行测量。试验后依次关闭动力风机7，待风洞内的气流减小到零时，方可打开观察窗42，将试验主体取出，以进行其他试验。

实施例2

参照图2，该实施例与实施例1的不同之处在于风洞本体的形状以及动力风机7的数量，在该实施例中。风洞本体呈半圆形，即回流段1为圆弧形，入口稳定段、收缩段3、实验段、扩展段5以及出口稳定段6设置水平的下边上，回流段1设置三台动力风机7，动力风机7的内部出风管71的管口沿圆弧的切向设置，回流段1采用圆弧形形状有利于气流通过，气流摩擦小，能量损失较少，因回流段1为光滑的圆弧形，因此无需设置导流片8。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种多级动力可控回流式风洞，其特征在于，包括：呈“回”字形的具有循环通路的风洞本体，所述风洞本体上依次设有回流段(1)、进口稳定段(2)、收缩段(3)、试验段(4)、扩展段(5)和出口稳定段(6)，所述回流段(1)设有多台输出风风向相同的动力风机(7)，所述试验段(4)设有置物台(41)，所述风洞本体的外壁上与所述置物台(41)相对应的位置设有观察窗(42)，所述观察窗(42)上设有透明的可拆卸的窗盖，所述出口稳定段(6)设有检测传感器；

多台所述动力风机(7)分别设有内部出风管(71)和外部出风管(72)，所述内部出风管(71)和所述外部出风管(72)分别设置在所述风洞本体内、外，多个所述内部出风管(71)的出风口沿所述风洞本体的轴线方向设置。

2.根据权利要求1所述的多级动力可控回流式风洞，其特征在于，所述检测传感器包括：速度传感器(61)、压力传感器(62)、温度传感器(63)和湿度传感器(64)，所述速度传感器(61)、压力传感器(62)、温度传感器(63)和湿度传感器(64)的探头分别设置在所述风洞本体内。

3.根据权利要求1所述的多级动力可控回流式风洞，其特征在于，所述回流段(1)的一端与所述进口稳定段(2)连接，所述回流段(1)的另一端与所述出口稳定段(6)连接，所述回流段(1)、进口稳定段(2)、收缩段(3)、试验段(4)、扩展段(5)和出口稳定段(6)形成循环通路，所述进口稳定段(2)和出口稳定段(6)的截面半径处处相等，所述收缩段(3)从所述进口稳定段(2)向所述试验段(4)延伸的方向的截面半径线性减小，所述试验段(4)的截面半径处处相等，所述扩展段(5)从所述试验段(4)向所述出口稳定段(6)延伸的方向的截面半径线性增大，所述进口稳定段(2)和所述出口稳定段(6)的截面半径相等。

4.根据权利要求1-3任一项所述的多级动力可控回流式风洞，其特征在于，所述风洞本体的转弯处设有弧形的导流片(8)。

5.根据权利要求1所述的多级动力可控回流式风洞，其特征在于，所述风洞本体采用刚性材质。

6.根据权利要求5所述的多级动力可控回流式风洞，其特征在于，所述风洞本体的外壁上设有绝缘涂层。

7.根据权利要求1所述的多级动力可控回流式风洞，其特征在于，所述窗盖采用透明的亚克力板。

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