CN112985744A - 一种用于风洞实验的格栅装置及其调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于风洞实验的格栅装置，用于风洞实验测试段湍流风和剪切风的调控，所述格栅装置包括贴合风洞出口端内壁的金属外边框、设置在金属外框内的金属转轴和设置在金属转轴上的多个小翼，所述金属转轴包括间隔布置的多个横向转轴和纵向转轴。本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置克服了现有的单一大气边界风切变和湍流流场生成技术的局限性，通过本装置电机驱动横向和纵向格栅之间的独立运动和整体配合，实现了风洞测试段气流的湍流强度和风剪切指数的同时主动调控。
Description
技术领域
本发明属于实验技术领域，具体涉及一种用于风洞实验的格栅装置及其调控方法。
背景技术
在风电技术领域的发展过程中，风洞实验可以准确的再现实际大气环境中的复杂流态，是风洞实验结果具有应用价值的前提条件，可用于研究翼型或风力机叶片气动性能。风洞实验中主要技术指标是来流的风剪切指数和湍流强度。
现有技术中，大多是用大气边界层产生装置控制风剪切指数，用湍流格栅装置制造某湍流强度值下准各向同性的湍流场，或是用上述两装置的组合来模拟真实大气边界层内的湍流流场。但是，无法同时调控风剪切指数和湍流强度使得工作量和实验成本大大增加，并且两装置的结合使用使得风洞实验的效率较低。
此外，风洞中用来生成湍流的格栅大多是纵横交错的，湍流强度的控制则是通过改变格栅的数量排布、截面形状、运动状态实现的，其控制方法主要为：静态调控和动态调控。其中，静态调控为：每次测量完成后，改变来流工况，通过更换湍流格栅板或手动调节格栅的位置、数量等实现对湍流强度的调控；动态调控为：在测量过程中，通过电机驱动格栅的旋转或摆动，或更改格栅之间的位置关系，完成对湍流强度的实时控制。针对湍流的控制设备，往往只能获得湍流强度变化范围较小的准各向同性湍流场，也没有掺入控制风剪切指数的因素，其剪切风是通过单独的大气边界层产生装置实现的。
由以上两点阐述可知，现有模拟大气边界湍流工况下风洞实验的改进，需提供一种使湍流格栅能同时调控湍流强度和风剪切指数两个指标，并且产生更大可调范围的湍流强度和更稳定的湍流结构。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种用于风洞实验的格栅装置，用于风洞实验测试段湍流风和剪切风的调控，所述格栅装置包括贴合风洞出口端内壁的金属外边框、设置在金属外框内的金属转轴和设置在金属转轴上的多个小翼，所述金属转轴包括间隔布置的多个横向转轴和纵向转轴。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述金属外边框设在风洞内壁上，所述金属外边框的横向边框穿出风洞壁。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述金属转轴截面为圆形，所述金属转轴的两端与所述金属外边框之间设有轴承。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述横向转轴的一端伸出金属外边框，用于在金属外边框外对横向转轴的旋转进行调节。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述纵向转轴的两端均伸出金属外边框和风洞壁，所述纵向转轴的端部均设有齿轮。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述齿轮啮合两根齿轮条，所述两根齿轮条分别设于风洞上侧和风洞下侧。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述两根齿轮条通过同一条设置在风洞外侧的传动轴与所述齿轮啮合，所述传动轴用于带动所有纵向转轴的同步转动。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述格栅装置还设有用于调控金属转轴转动的调控电机，所述调控电机包括用于调控横向转轴的横向转轴调控电机和用于调控纵向转轴的纵向转轴调控电机所述调控电机和所述金属转轴之间通过弹性联轴器相连。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述调控电机为伺服电机，所述伺服电机由多谐振荡器的波形图控制，定常方波驱动电机旋转，随机脉冲波控制电机反转。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述格栅装置还包括用于输入所述调控电机运转参数的计算机。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述小翼为菱形金属小翼，所述小翼的内角为90°，所述小翼固定在转轴的方式为对角线固定，所述多个小翼的安装倾角相同。
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，还具有这样的特征，所述小翼在所述金属转轴两端为1/2翼型分布，所述小翼的最长边与所述金属外边框重合。
本发明的另一目的在于，提供一种用于风洞实验的格栅装置的调控方法，所述格栅装置为上述任一项所述的格栅装置。
本发明所述的调控方法，还具有这样的特征，所述方法包括如下步骤：
S1：通过调节纵向转轴来调节纵向转轴上的小翼与来流方向的夹角；
S2：通过调节横向转轴，使得横向转轴上的小翼和来流方向的夹角随高度增加而减小；
S3：设置横向转轴的摆动角和转速，
其中，摆动角为小翼反转摆动的角度变化幅值，转速为小翼摆动角速度的绝对值。
有益效果：
本发明所提供的用于风洞实验的格栅装置，通过设置间隔布置的横向转轴和纵向转轴实现了风剪切指数和湍流强度的实时且同步的动态调节，弥补了现有技术中对风剪切指数和湍流强度由各自设备调控的局限性，降低了设备制造的总成本，提高了工作效率，并且通过在转轴上设置小翼，扩大了风剪切指数和湍流强度的动态可调范围，增强了风速波动的随机性和湍动能的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种用于风洞实验的格栅装置的正视图；
图2为本发明实施例所提供的横向格栅正视图；
图3为本发明实施例所提供的纵向格栅旋转90°后的正视图；
图4为本发明实施例所提供的格栅边缘示意图；
图5为本发明实施例所提供的菱形金属小翼倾角A和摆动角B示意图；
图6为本发明实施例所提供的格栅装置调控湍流强度和风剪切指数的流程图。
其中：1：风洞壁；2：纵向边框；3：1/2菱形金属小翼；4：小翼；5：横向转轴；6：纵向转轴；7：横向转轴调控电机；8：联轴器；9：横向边框；10：齿轮条；11：齿轮；12：传动轴；13：纵向转轴调控电机。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的切割装置作具体阐述。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
如图1所示，为本发明提供的用于风洞实验的格栅装置，该格栅装置用于风洞实验测试段湍流风和剪切风的调控，所述格栅装置包括贴合风洞出口端内壁1的金属外边框、设置在金属外框内的金属转轴、设置在金属转轴上的多个小翼4和用于控制金属转轴旋转的调控电机，所述金属转轴包括多个等间隔布置的横向转轴5和纵向转轴6。金属外边框设在风洞内壁上，所述金属外边框的横向边框9穿出风洞壁1。横向转轴5和纵向转轴6作为活动格栅可设置多个。
在部分实施例中，金属转轴为抗弯和抗扭强度高的金属材料，金属转轴的两端与所述金属外边框之间设有轴承，如图4中圆形阴影区域所示。调控电机包括用于调控横向转轴5的横向转轴调控电机7和用于调控纵向转轴6的纵向转轴调控电机13。所述调控电机和所述金属转轴之间通过弹性联轴器8相连。所述调控电机为伺服电机，所述伺服电机由多谐振荡器的波形图控制，定常方波驱动电机旋转，随机脉冲波控制电机反转。
在部分实施例中，如图2所示，为本发明实施例所提供的横向格栅的正视图，横向转轴5的截面为圆形，一端伸出横向边框9和风洞壁1，连接调控电机。调控电机的运动模式为随机运动，由PC产生随机脉冲信号。转轴在调控电机的驱动下，实现特定倾角A、摆动角B和转速W三个参数控制下的随机运动调节。其中，如图5所示，倾角A为小翼与来流方向的夹角，由电机一侧看过去，0°为顺桨状态，顺时针方向旋转角度为正，±90°时达到最大阻塞率的迎风状态；摆动角B为小翼在某一倾角A下反转摆动的角度变化的幅值；转速W为小翼摆动角速度的绝对值，单位为转/秒。
在部分实施例中，如图3所示，为本发明实施例所提供的纵向格栅旋转90°后的正视图，其转轴截面为圆形，纵向转轴6的两端均伸出纵向边框2和风洞壁1，所述纵向转轴6的端部通过齿轮11固定在风洞壁1上。所述齿轮啮合两根齿轮条10，所述两根齿轮条10分别设于风洞上侧和风洞下侧。所述两根齿轮条10通过同一条设置在风洞外侧的传动轴12与所述齿轮11啮合，所述传动轴12与纵向转轴调控电机13连接，用于实现所有纵向转轴6同参数下的运动调节。
在部分实施例中，如图4所示，为本发明实施例所提供的格栅边缘示意图，所述小翼为菱形金属小翼4，所述小翼4的内角为90°，所述小翼4固定在转轴的方式为对角线固定，所述多个小翼4的安装倾角相同。所述小翼4在所述金属转轴两端为1/2翼型分布，即在金属转轴两端为1/2菱形小翼3，所述小翼4的最长边即小翼4对角线与所述金属外边框重合。当横向转轴5和纵向转轴6上的小翼4倾角均为90°时，即所有小翼4的迎风面最大时，整个区域的最大阻塞率接近100％的理想状态。
在部分实施例中，所述格栅装置还包括用于输入所述调控电机运转参数的计算机。
在部分实施例中，提供一种用于风洞实验的格栅装置的调控方法，所述格栅装置为上述任一实施例所述的格栅装置。该方法通过调节菱形小翼4的三个控制变量来实现对气流湍流强度和风剪切指数的同时主动调节，三个控制变量包括：倾角A、摆动角B和转速W。所述方法包括如下步骤：
S1：设置纵向转轴6的总体倾角A，即控制格栅对气流的阻塞率，可调节来流的平均风速值；若设置纵向转轴的倾角A沿平面内的分布，即可获得来流在水平横向的平均风速变化，一般情况下风电机组的风洞实验不涉及此类调控手段。
S2：设置横向转轴5倾角A的绝对值沿垂向的分布，即控制格栅对气流阻塞率的垂向分布情况，其分布规律为倾角A的绝对值随垂向高度的增加而减小，由此可调节来流在垂向方向的平均风速变化，进而达到模拟大气边界层风剪切指数的效果。
S3：设置横向转轴5的摆动角B和转速W，可获得具有较大范围可调的惯性区主导的湍流场和湍流强度值，其中湍流强度主要受摆动角B影响，增大摆动角B，主流区速度脉动成分增强，湍流强度增加；湍动能主要由转速W决定，增大转速W，小翼扰流区域增加，同时会显示出清晰的小惯性区域，并符合湍流能量谱公式，在流场中生产更大尺度的起到传递能量的涡结构，延长了耗散尺度涡分布的距离，从而使得风洞测试段的湍流更加稳定。
如图6所示，为本发明所提供的格栅装置调控湍流强度和风剪切指数的流程图，其具体为：在各自电机的随机运动模式下，根据给定的湍流强度和风剪切指数，设置各自转轴的倾角A、摆动角B、转速W，检查测试段流场的平均速度和湍流强度分布特性，验证是否同时满足风剪切指数和湍流强度给定条件，若满足，保持该运动模式，开展该工况下的实验；若不满足，调节三个参数值，检查流场特性，直到满足条件为止。一次测量实验结束后，改变电机参数值，以匹配下个给定工况下的风剪切指数和湍流强度，进行下一次的实验。
与传统风洞内的流场控制设备和控制思想相比，本发明的用于风洞中产生湍流和风剪切效应的格栅装置及其方法突破了现有的单一控制湍流强度和风剪切指数的思想限制，在伺服电机随机运动模式的驱动下，设置和改变三个控制参数，可实现湍流强度和风剪切指数的共同动态调节，复刻实际大气边界环境中的流动情况，以满足现有风洞实验对制造复杂流场结构的需求。对于使用者而言，控制设备总成本显著降低，操作效率显著提高；菱形小翼振动幅值和频率的可调，使湍流强度的调节范围增加；在涡能量传递过程中，耗散尺度被明显拖延，湍流场结构更加稳定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1.一种用于风洞实验的格栅装置，用于风洞实验测试段湍流风和剪切风的调控，其特征在于，所述格栅装置包括贴合风洞出口端内壁的金属外边框、设置在金属外框内的金属转轴和设置在金属转轴上的多个小翼，所述金属转轴包括间隔布置的多个横向转轴和纵向转轴。
2.根据权利要求1所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述金属外边框设在风洞内壁上，所述金属外边框的横向边框穿出风洞壁。
3.根据权利要求1所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述金属转轴截面为圆形，所述金属转轴的两端与所述金属外边框之间设有轴承。
4.根据权利要求3所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述横向转轴的一端伸出金属外边框和风洞壁，用于在风洞壁外对横向转轴的旋转进行调节。
5.根据权利要求3所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述纵向转轴的两端均伸出金属外边框和风洞壁，所述纵向转轴的端部均设有齿轮。
6.根据权利要求5所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述齿轮啮合两根齿轮条，所述两根齿轮条分别设于风洞上侧和风洞下侧。
7.根据权利要求6所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述两根齿轮条通过同一条设置在风洞外侧的传动轴与所述齿轮啮合，所述传动轴用于带动所有纵向转轴的同步转动。
8.根据权利要求1所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述格栅装置还设有用于调控金属转轴转动的调控电机，所述调控电机包括用于调控横向转轴的横向转轴调控电机和用于调控纵向转轴的纵向转轴调控电机所述调控电机和所述金属转轴之间通过弹性联轴器相连。
9.根据权利要求8所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述调控电机为伺服电机，所述伺服电机由多谐振荡器的波形图控制，定常方波驱动电机旋转，随机脉冲波控制电机反转。
10.根据权利要求8或9任一项所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述格栅装置还包括用于输入所述调控电机运转参数的计算机。
11.根据权利要求1所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述小翼为菱形金属小翼，所述小翼的内角为90°，所述小翼固定在转轴的方式为对角线固定，所述多个小翼的安装倾角相同。
12.根据权利要求11所述的用于风洞实验的格栅装置，其特征在于，所述小翼在所述金属转轴两端为1/2翼型分布，所述小翼的最长边与所述金属外边框重合。
13.一种用于风洞实验的格栅装置的调控方法，其特征在于，所述格栅装置为权利要求1-12任一项所述的格栅装置。
14.根据权利要求13所述的调控方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1：通过调节纵向转轴来调节纵向转轴上的小翼与来流方向的夹角；
S2：通过调节横向转轴，使得横向转轴上的小翼和来流方向的夹角随高度增加而减小；
S3：设置横向转轴的摆动角和转速，
其中，摆动角为小翼反转摆动的角度变化幅值，转速为小翼摆动角速度的绝对值。
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