CN113063561A - 一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞试验装置领域，具体公开了一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，包括外壳以及内支架；所述外壳外形为机翼状的流线型，所述内支架设置在外壳中，内支架用于支撑节段模型。本发明的目的在于解决节段模型端部三维绕流和附属部件气动干扰问题。

Description

一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置

技术领域

本发明涉及风洞试验装置领域，具体公开了一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置。

背景技术

节段模型风洞实验是获取大量土木结构风致作用响应和气动参数(颤振、涡振、驰振、抖振、静风荷载等)的一种主要手段，这些土木结构包括输电线、桅杆、避雷针、桥梁主梁、桥梁吊杆、拉索等细长结构。针对上述细长结构进行风洞测试时，一般通过刚体节段模型模拟结构截面周围的二元绕流特性，然而，节段模型端部的三维绕流会对整个模型的二元流动产生干扰，而且，节段模型在设计制作时为了保证足够大的刚度以及风洞试验段尺寸限制，模型长细比一般不够大(小于4)，造成端部的三维绕流所导致的测试误差非常显著；此外，节段模型试验的附属部件例如支撑装置、吊臂、弹簧、传感器等，若在吹风过程中直接暴露在流场中，也会存在显著的流动干扰。

现行《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01—2018)B.3.1条规定“节段模型振动试验应保证构件的二元流动特性”，以避免端部三维绕流和其余附属部件的不利影响，传统在风洞测试时抑制端部三维绕流的方法包括(1)在模型端部附加两块端板，端板随节段模型一起振动；(2)在附属部件和节段模型之间放置两块固定的隔离板。传统方法存在如下问题：(1)端板抑制端部三维绕流的效果难以保证，端板由于系统质量的限制，其尺寸往往过小，难以完全抑制端部三维绕流；(2)端板随节段模型一起振动，则会在振动系统中附加端板自身的惯性力和气动力，对节段模型振动响应产生影响，且难以修正；(3)端板和固定隔离板，均无法消除支撑装置、吊臂等附属部件的气动干扰；(4)端板和固定隔离板平面周围的绕流对风偏角敏感，在实际安装时需要与来流方向完全一致，否则端板或固定隔离板本身也会引起显著的三维绕流，但在实际操作中难以保证其与来流方向完全一致。传统方法的上述缺陷会对风洞实验结果产生显著的误差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，以解决端部三维绕流和附属部件气动干扰问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，包括外壳以及内支架；所述外壳外形为机翼状的流线型，所述外壳下缘曲线平直，所述内支架设置在外壳中，内支架用于支撑节段模型。

可选地，所述外壳包括支撑骨架、安装块和安装板，所述安装块分块设置在支撑骨架的前后两端，所述安装板可拆卸设置在支撑骨架的中部，所述安装板和安装块的外形均呈机翼状的流线型。

可选地，所述支撑骨架的上下两端均设置有水平隔板，水平隔板上设置有千斤顶。

可选地，所述水平隔板的底部设置有万向车轮。

可选地，所述内支架包括金属圆环、制动片和安装机构，所述安装机构设置在支撑骨架上，所述金属圆环设置在安装机构上且能够转动，所述制动片设置在支撑骨架上，制动片与金属圆环接触并用于制动金属圆环。

可选地，所述安装机构包括支撑杆和T形滑轮，支撑杆设置在支撑骨架上，所述T形滑轮设置在支撑杆上，所述金属圆环放置在T形滑轮上。

可选地，所述金属圆环上设置有固定板，固定板上设置有测力天平，所述测力天平用于装载节段模型

可选地，所述金属圆环上设置有板弹簧，板弹簧用于弹性支撑节段模型。

可选地，所述内支架包括若干花篮螺丝、螺旋弹簧和吊臂，所述花篮螺丝分别设置在支撑骨架的上下端，螺旋弹簧设置在花篮螺丝上，所述吊臂位于支撑骨架的中部且与所有螺旋弹簧连接，所述吊臂用于装载节段模型。

可选地，所述节段模型的端部设置有连接丝杆，连接丝杆与吊臂连接。

本方案的工作原理及有益效果在于：

1、本方案中的支架测试装置包括有流线型的外壳，流线型外壳能够消除端部气动干扰误差，且外壳的上下两端设置有水平隔板，水平隔板能够抑制上下端涡流，以避免附加风攻角。同时，内支架设置在外壳内部，即其各个零部件均未暴露在风洞中，所以内支架的各个部件不会产生显著的流动干扰，从而最大程度上消除了节段模型端部的三维流动以及支撑系统的气动干扰效应，保证了节段模型周围二元流动特性，满足节段模型风洞实验的需求。

2、测试装置包括支撑骨架、安装块和安装板等，其中安装板能够从支撑骨架上取下，便于安装和拆卸内支架，根据不同要求进行不同的试验。

3、本方案中还设置有千斤顶和万向车轮，万向车轮便于将支架测试装置运输到指定位置，千斤顶能够将整个测试装置固定在风洞的底壁和顶壁上。

4、内支架包括三种变形结构，第一种包括金属圆环、制动片、安装机构、固定板和测力天平，该结构的内支架主要用于静气动力试验，转动金属圆环能够调节风攻角；第二种包括金属圆环、制动片、安装机构和板弹簧，该结构的内支架主要用于大攻角、大振幅节段模型试验；第三种包括螺旋弹簧、花篮螺丝和吊臂，此时金属圆环等结构需要拆除，该结构的内支架主要用于常规弹簧悬挂节段模型试验。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

图1为实施例一的结构示意图；

图2为实施例一的顶视图；

图3为实施例一的主视图；

图4为实施例二的结构示意图；

图5为三自由度支撑系统的结构示意图；

图6为实施例三的结构示意图；

图7为风洞试验时CFD对实施例一的风场横断面计算结果图；

图8为风洞试验时CFD对实施例一的风场水平面计算结果图；

图9为实施例一中节段模型轴线高度处顺风向风速的分布情况；

图10为实施例一中节段模型轴线高度处竖风向风速的分布情况。

附图中标记如下：安装块1、安装板2、支撑骨架3、水平隔板4、千斤顶5、万向车轮6、金属圆环7、支撑杆8、固定板9、T形滑轮10、制动片11、节段模型12、测力天平13、指针14、板弹簧15、花篮螺丝16、螺旋弹簧17、吊臂18、第一连接板19、第二连接板20、第三连接板21、第四连接板22、连接螺栓23、试验弹簧24。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例一

一种保证节段模型12二元流动特性的风洞内支架测试装置，如图1-图3所示，包括两组结构相同、布置位置相对的外壳以及内支架。外壳外整体形为机翼状的流线型，具体可采用机翼GOE188的几何外形，内支架设置在外壳中，内支架用于支撑节段模型12。外壳包括支撑骨架3、安装块1和安装板2，支撑骨架3为金属制，安装块1为硬质泡沫制，安装板2为透明有机玻璃板，所以使用者能够通过安装板2直接观察到内支架和节段模型12的状态。安装块1分块设置在支撑骨架3的前后两端，安装板2可拆卸设置在支撑骨架3的中部，可拆卸的方式可采用螺栓连接。安装板2和安装块1的外形均呈机翼状的流线型。支撑骨架3的上下两端均设置有水平隔板4，上方的水平隔板4的上端固定设置有千斤顶5，下方的水平隔板4的下端也固定设置有千斤顶5。水平隔板4的底部设置有万向车轮6。

内支架包括金属圆环7、制动片11和安装机构。安装机构设置在支撑骨架3上，金属圆环7设置在安装机构上且能够转动，制动片11倾斜固定设置在支撑骨架3上，制动片11与金属圆环7接触并用于制动金属圆环7。安装机构包括支撑杆8和TT形滑轮10，支撑杆8竖直固定设置在支撑骨架3上，TT形滑轮10设置在支撑杆8上，支撑杆8共有两根，TT形滑轮10共有四个，一根支撑杆8上设置两个TT形滑轮10金属圆环7放置在TT形滑轮10上，且金属圆环7的上部内圈与上方的TT形滑轮10接触，金属圆环7的下部外圈与下方的TT形滑轮10接触。金属圆环7上沿径向通过螺栓可拆卸设置有固定板9，固定板9的内侧上固定设置有测力天平13，测力天平13为多维力传感器，固定板9和测力天平13用于装载节段模型12。支撑骨架3的下端竖直固定设置有指针14，金属圆环7上设置有角度刻度，刻度分辨率为1°。

本实施例主要适用于静气动力试验。

具体实施时：

初始时，千斤顶5收起，推动整个支架测试装置到风洞的指定位置，且外壳的圆头部分朝向上游，然后开始手摇千斤顶5，使上方的千斤顶5与风洞的内壁顶部抵紧，下方的千斤顶5与风洞的内壁底部抵紧；然后将节段模型12安装到测力天平13，再安装其余测试部件，例如传感器等，最后进行风洞试验。

需要拆卸内支架时，先拆下安装板2，然后再拆卸内支架的零部件。需要转动金属圆环7时，先松开制动片11，然后转动金属圆环7，再使制动片11与金属圆环7抵紧。

实施例二

与实施例一的不同之处在于：结合图4、图5，金属圆环7上未设置固定板9和测力天平13，而设置有板弹簧15，板弹簧15为三自由度支撑系统，板弹簧15用于装载节段模型12。板弹簧15包括第一连接板19、第二连接板20、第三连接板21、第四连接板22、连接螺栓23和试验弹簧24。第一连接板19竖直设置且与金属圆环7固定连接，两个第二连接板20水平固定设置在第一连接板19上，第三连接板21竖直固定设置在两个第二连接板20的左端，第四连接板22水平固定设置在第三连接板21的中部，连接螺栓23同时与第三连接板21和第四连接板22固定连接，且连接螺栓23用于装载节段模型12，试验弹簧24共有四个，且分别布置在第四连接板22的四周且与第四连接板22呈45°交叉，试验弹簧24的两端分别与第三连接板21和第四连接板22固定连接。

实施例三

与实施例一的不同之处在于：结合图6，内支架包括四个花篮螺丝16、四个螺旋弹簧17和一个吊臂18，花篮螺丝16分别可拆卸设置在支撑骨架3的两侧上下端，螺旋弹簧17设置在花篮螺丝16上，吊臂18位于支撑骨架3的中部且与所有螺旋弹簧17连接，吊臂18用于装载节段模型12。节段模型12的端部设置有连接丝杆，连接丝杆与吊臂18连接，连接丝杠采用法兰和螺栓组成。

实施例二和实施例三种的内支架结构分别适用于大攻角、大振幅节段模型试验和常规弹簧悬挂节段模型试验。

试验例

将实施例一中的支架测试装置安装到风洞内进行风洞试验，图7-图10显示了两组支架测试装置在风洞试验段内的风场CFD计算结果，其中，内支架1.8m高×3.0m宽，CFD计算区域采用标准的风洞实验段尺寸2.5m高×3.0m宽。由图7和图8可以发现，两个内支架装置之间的风场均匀性良好，没有明显的漩涡脱落。图9和图10表明在节段模型12轴线高度处，顺风向风速除了边界层区域外沿水平向均匀性良好，边界层厚度小于0.2m，内支架之间的流场风速增大系数约为1.16；竖向风速非常小，约为顺风向风速的0.05％～0.3％，因此，内支架系统所引起的附加风攻角小于0.17°，从而最大程度上消除了节段模型12端部的三维流动以及支撑系统的气动干扰效应，保证了节段模型12周围二元流动特性，满足节段模型风洞实验的需求。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。

Claims (6)

1.一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，其特征在于：包括外壳以及内支架；所述外壳外形为机翼状的流线型，所述外壳下缘曲线平直，所述内支架设置在外壳中，内支架用于支撑节段模型。

2.根据权利要求1所述的一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，其特征在于：所述外壳包括支撑骨架、安装块和安装板，所述安装块分块设置在支撑骨架的前后两端，所述安装板可拆卸设置在支撑骨架的中部，所述安装板和安装块的外形均呈机翼状的流线型。

3.根据权利要求2所述的一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，其特征在于：所述支撑骨架的上下两端均设置有水平隔板，水平隔板上设置有千斤顶。

4.根据权利要求3所述的一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，其特征在于：所述水平隔板的底部设置有万向车轮。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，其特征在于：所述内支架包括金属圆环、制动片和安装机构，所述安装机构设置在支撑骨架上，所述金属圆环设置在安装机构上且能够转动，所述制动片设置在支撑骨架上，制动片与金属圆环接触并用于制动金属圆环。

6.根据权利要求5所述的一种保证节段模型二元流动特性的风洞内支架测试装置，其特征在于：所述安装机构包括支撑杆和T形滑轮，支撑杆设置在支撑骨架上，所述T形滑轮设置在支撑杆上，所述金属圆环放置在T形滑轮上。

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