CN113358322B - 一种风洞模拟装置 - Google Patents

Abstract

一种风洞模拟装置，包括风机、吸气口、吹气口、控制阀、空气过滤器、主梁节段模型、吸气端口、吸气管路、吹气端口、外接端口、主梁断面、吹气管路；其中主梁节段模型包括边缘与主梁断面，风机通过吸气口吸气，通过吹气口连接空气过滤器，空气过滤器输出端连接控制阀，控制阀输出端输出气体吹向主梁节段模型的边缘，主梁断面上设有外接端口，所述外接端口连接外接吹气设备与外接吸气设备，边缘设有吸气端口、吹气端口，吸气端口通过吸气管路、外接端口与外接吸气设备连接，吹气端口通过吹气管路、外接端口与外接吹气设备连接；通过吹气端口、吸气端口的吹气与吸气影响吹向边缘的气流。

Description

一种风洞模拟装置

技术领域

本发明涉及桥梁涡振实验领域，具体涉及一种风洞模拟装置。

背景技术

随着桥梁跨度不断增长，风致振动逐渐成为制约大跨桥梁进一步发展的主要因素。涡振是一种具有强迫和自激双重特性的自限幅风致振动现象，由气流流经结构表面时产生的有规律旋涡脱落所引起。桥梁主梁涡振现象在实际工程中屡见不鲜，例如巴西的尼特罗伊跨海大桥(Rio-Niteroi Bridge)、日本的东京湾大桥(Trans-Tokyo Bay Bridge)、丹麦的大贝尔特大桥(Great East Belt Bridge)、俄罗斯的伏尔加河大桥(VolgaBridge)、美国的韦拉扎诺海峡大桥(Verrazzano-Narrows Bridge)、中国的西堠门大桥、虎门大桥和鹦鹉洲大桥等均在运营过程中出现了程度不一的涡激振动现象。虽然涡振不会直接引起桥梁动力失稳破坏，但是较大振幅的涡振会对桥梁结构的安全和行车舒适性产生较大的危害。钢箱梁在抗风性能以及跨越能力方面较其它断面形式具有很大的优越性，正成为跨越长江、大海的大跨度桥梁加劲梁的主要结构形式。由于受海上高湿度、高温差的环境影响，钢箱梁锈蚀问题严重，钢箱梁内部往往需要配置良好的除湿系统。一般除湿机的再生空气取自箱外，再排至箱外，利用干燥转轮，空气不断除湿、不断再生，周而复始，从而达到除湿效果。由除湿系统的工作原理可知，其与主动流动控制系统具有相似特点，均需要吸气、吹气。由于桥梁断面绕流复杂性，各类气动外形优化措施均不具备涡振控制的普适性，主要是通过风洞试验和经验来确定。

而在实际使用中，存在以下问题：

1、现有技术的实验系统通过阀控制风力，然而实际情况中的风力往往是瞬息万变的，风力变化的情况太多，无法一一模拟。

2、现有技术的阀中，存在复合阀芯的情况，但是复合阀芯往往是内阀芯是辅助阀，外阀芯是主阀，而内阀芯由于其较小的体积，往往加工存在难度、且小体积阀芯能够执行的功能和执行面积都小，影响起到的效果。

3、现有技术的阀可以通过启闭程度来调节流量，但这种启闭的程度控制需要人为或者机器控制，大大增加了成本。

4、现有技术的阀芯长时间使用后，会存在积垢或者需要维护的情况，此时需要拆卸阀芯，程序较为繁琐。

5、现有技术的阀芯通孔，往往是方形的或者圆形的，忽视了椭圆形通孔的特性以及不同形状的通孔配合带来的益处。。

6、现有技术的多通路旋转阀，由于通路过多，每多一个通路，通路之间的间隙都大大减小，留给密封的位置较少，给密封结构的加工以及安装带来困难。

7、现有技术的阀通过单驱动来工作，很少有双驱动，因为双驱动时下驱动件的支撑和振动是大问题。

8、现有技术的生活、工业用阀往往单独设置，而实验用阀恰恰相反，由于实验用阀模拟实际但比例大大缩小，因此实验用阀存在集成需求，而普通的阀显然无法适应集成需求。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提出同时解决上述多种问题的方案。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种风洞模拟装置，包括风机、吸气口、吹气口、控制阀、空气过滤器、主梁节段模型；其中所述主梁节段模型包括边缘、主梁断面、吸气端口、吸气管路、吹气端口、外接端口一、外接端口二、吹气管路，所述风机通过吸气口吸气，通过吹气口连接所述空气过滤器，所述空气过滤器输出端连接所述控制阀，所述控制阀输出端输出气体吹向所述主梁节段模型的边缘，所述主梁断面上设有外接端口一、外接端口二，外接端口一连接外接吹气设备，外接端口二连接外接吸气设备，所述边缘设有吸气端口、吹气端口，所述吸气端口通过吸气管路、外接端口二与所述外接吸气设备连接，所述吹气端口通过吹气管路、外接端口一与所述外接吹气设备连接；通过所述吹气端口、吸气端口的吹气与吸气影响吹向所述边缘的气流；

所述控制阀包括左阀体、右阀体、伺服电机、提拉盖板、左拉环、电机轴、右拉环、感测模块、密封件、波形控制套筒、主阀芯、螺纹盖、下驱动件、减震垫、螺纹管、下输出轴；其中所述波形控制套筒包括外方孔一、外方孔二、外椭圆孔一、外椭圆孔二；所述主阀芯包括内方形通道、内椭圆通道；

其中所述提拉盖板可拆卸的连接所述左阀体、所述右阀体，所述伺服电机输出动力至所述电机轴，所述电机轴与所述波形控制套筒连接，所述波形控制套筒包括上板与套筒部，所述电机轴与所述上板连接，所述上板位于所述提拉盖板的下方，所述主阀芯位于所述波形控制套筒的内部，所述主阀芯的下表面与所述套筒部的下表面平齐；所述提拉盖板上设有左拉环、右拉环，所述右阀体上方设有所述感测模块，所述感测模块包括流量计、湿度传感器；

所述主阀芯下方连接所述下输出轴，所述下输出轴由所述下驱动件驱动，所述螺纹管连接在所述左阀体、所述右阀体的下方，所述螺纹管包围所述下驱动件，所述下驱动件的下表面与所述螺纹管的下表面平齐，所述螺纹管外壁设有外螺纹，所述螺纹盖包括内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹配合连接，所述螺纹盖上设有所述减震垫，所述减震垫位于所述下驱动件的下表面；

沿着所述波形控制套筒的外周面所述外方孔一、外椭圆孔一、外方孔二、外椭圆孔二依次等间隔布置，四个孔的高度相等，外方孔一、外方孔二的宽度等于外椭圆孔一、外椭圆孔二的最大宽度，所述内方形通道的截面面积等于所述外方孔一、外方孔二的面积，所述内方形通道的截面面积大于所述外椭圆孔一、外椭圆孔二的面积，所述内椭圆通道的截面面积小于所述外椭圆孔一、外椭圆孔二的面积，所述内方形通道的轴线与所述内椭圆通道的轴线呈30度夹角；

所述外方孔一、外方孔二与所述内方形通道连通时为一挡流量状态，此时阀的输出风力波形为固定量波形，一挡流量状态时外方孔一周向来回摆动形成周期性急变化波形；所述外椭圆孔一、外椭圆孔二与所述内方形通道连通时为二挡流量状态，二挡流量状态时外椭圆孔一周向来回摆动形成周期性缓变化波形；所述外方孔一、外方孔二与所述内椭圆通道连通时为三挡流量状态，所述外椭圆孔一、外椭圆孔二与所述内椭圆通道连通时为三挡流量状态，在三挡流量状态，所述波形控制套筒匀速旋转从而阀输出间歇风力波形。

进一步的，所述提拉盖板通过螺栓连接至所述左阀体、所述右阀体。

进一步的，所述左阀体、右阀体上均设置有所述密封件。

进一步的，所述下驱动件为驱动电机。

进一步的，所述内椭圆通道的高度小于所述外椭圆孔一的高度。

进一步的，所述内椭圆通道的最大宽度小于所述外椭圆孔一的最大宽度。

进一步的，所述左阀体、右阀体一体形成。

进一步的，所述螺纹管焊接在所述左阀体、右阀体的下方。

进一步的，所述主阀芯为圆柱状。

进一步的，所述主阀芯的直径大于所述波形控制套筒外径的四分之三。

本发明的有益效果是：

1、针对背景技术提出的第1点，采用了波形控制套筒与主阀芯的配合，通过二者的结构设计与配合作用，模拟间歇波、周期性急变化波形、周期性缓变化波形、直线波形四种波形的风力作用，更大程度的丰富了实验风力波形的种类。

2、针对背景技术提出的第2点，将内部的阀芯作为主阀芯，将外部阀芯作为辅助控制阀芯，内阀芯的体积大于外阀芯的体积从而构成主通断，外阀芯为套筒状更灵活。

3、针对背景技术提出的第3点，通过内外阀芯上设置的不同通孔，当两个大通孔连通时为一挡流量，当外小通孔与内大通孔连通时由于流量由最小的通孔决定、因此为二挡流量，当内小通孔与任意孔连通时，流量均为内小通孔决定，因此为三挡流量。

4、针对背景技术提出的第4点，由于外阀芯为套筒状没有底板，可以打开盖板直接取出，取出后，内阀芯与阀体之间存在较大间隙，可以不取出通过工具进行清洁，不存在之前内阀芯和阀体贴近无法直接清洁还需取出的问题。

5、针对背景技术提出的第5点，在矩形通孔旋转过程中，其通流量的变化相对较大，模拟周期性急变化波形。在椭圆通孔旋转过程中，由于曲面作用，其通流量的变化相对较缓，模拟周期性缓变化波形，而椭圆形的高度高于圆形，更好的扩大了通孔覆盖范围，增大了流通面积。

6、针对背景技术提出的第6点，将主阀芯上的矩形通孔与椭圆形通孔贴近而不是90度间隔，因此预留出较大的封闭面用于设置密封结构。

7、针对背景技术提出的第7点，在阀体上下都设置了驱动结构，而针对下驱动结构的支撑问题，设置了连接螺管以包裹，设置了螺纹盖以支撑，设置了缓冲垫以减震。

8、针对背景技术提出的第8点，在阀体下方设置了螺管，螺管与螺纹盖可拆卸连接，当二者连接时可以直接放置在平面上，当卸下螺纹盖时阀可以通过螺管连接至集成平台上，实现实验集成化。

注：上述设计不分先后，每一条都使得本发明相对现有技术具有区别和显著的进步。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明阀主阀芯部分截面图

图2是本发明阀波形控制套筒部分截面图

图3是本发明阀芯一挡通流俯视示意图

图4是本发明阀芯截断俯视示意图

图5是本发明风洞模拟装置示意图

图6是本发明主梁模型横截面视图

图中，附图标记如下：

1、左阀体2、右阀体3、伺服电机4、提拉盖板5、左拉环6、电机轴7、右拉环8、感测模块9、密封件10、波形控制套筒11、主阀芯12、螺纹盖13、下驱动件14、减震垫15、螺纹管16、内方形通道17、外方孔一18、外方孔二19、外椭圆孔一20、内椭圆通道21、外椭圆孔二22、下输出轴23、风机24、吸气口25、吹气口26、控制阀27、空气过滤器28、主梁节段模型29、吸气端口30、吸气管路31、吹气端口32、外接端口33、主梁断面34、吹气管路

具体实施方式

如图所示：一种风洞模拟装置，包括风机、吸气口、吹气口、控制阀、空气过滤器、主梁节段模型；其中所述主梁节段模型包括边缘、主梁断面、吸气端口、吸气管路、吹气端口、外接端口一、外接端口二、吹气管路，所述风机通过吸气口吸气，通过吹气口连接所述空气过滤器，所述空气过滤器输出端连接所述控制阀，所述控制阀输出端输出气体吹向所述主梁节段模型的边缘，所述主梁断面上设有外接端口一、外接端口二，外接端口一连接外接吹气设备，外接端口二连接外接吸气设备，所述边缘设有吸气端口、吹气端口，所述吸气端口通过吸气管路、外接端口二与所述外接吸气设备连接，所述吹气端口通过吹气管路、外接端口一与所述外接吹气设备连接；通过所述吹气端口、吸气端口的吹气与吸气影响吹向所述边缘的气流；

所述控制阀包括左阀体、右阀体、伺服电机、提拉盖板、左拉环、电机轴、右拉环、感测模块、密封件、波形控制套筒、主阀芯、螺纹盖、下驱动件、减震垫、螺纹管、下输出轴；其中所述波形控制套筒包括外方孔一、外方孔二、外椭圆孔一、外椭圆孔二；所述主阀芯包括内方形通道、内椭圆通道；

如图所示：其中所述提拉盖板可拆卸的连接所述左阀体、所述右阀体，所述伺服电机输出动力至所述电机轴，所述电机轴与所述波形控制套筒连接，所述波形控制套筒包括上板与套筒部，所述电机轴与所述上板连接，所述上板位于所述提拉盖板的下方，所述主阀芯位于所述波形控制套筒的内部，所述主阀芯的下表面与所述套筒部的下表面平齐；所述提拉盖板上设有左拉环、右拉环，所述右阀体上方设有所述感测模块，所述感测模块包括流量计、湿度传感器；

所述主阀芯下方连接所述下输出轴，所述下输出轴由所述下驱动件驱动，所述螺纹管连接在所述左阀体、所述右阀体的下方，所述螺纹管包围所述下驱动件，所述下驱动件的下表面与所述螺纹管的下表面平齐，所述螺纹管外壁设有外螺纹，所述螺纹盖包括内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹配合连接，所述螺纹盖上设有所述减震垫，所述减震垫位于所述下驱动件的下表面；

沿着所述波形控制套筒的外周面所述外方孔一、外椭圆孔一、外方孔二、外椭圆孔二依次等间隔布置，四个孔的高度相等，外方孔一、外方孔二的宽度等于外椭圆孔一、外椭圆孔二的最大宽度，所述内方形通道的截面面积等于所述外方孔一、外方孔二的面积，所述内方形通道的截面面积大于所述外椭圆孔一、外椭圆孔二的面积，所述内椭圆通道的截面面积小于所述外椭圆孔一、外椭圆孔二的面积，所述内方形通道的轴线与所述内椭圆通道的轴线呈30度夹角；

所述外方孔一、外方孔二与所述内方形通道连通时为一挡流量状态，此时阀的输出风力波形为固定量波形，一挡流量状态时外方孔一周向来回摆动形成周期性急变化波形；所述外椭圆孔一、外椭圆孔二与所述内方形通道连通时为二挡流量状态，二挡流量状态时外椭圆孔一周向来回摆动形成周期性缓变化波形；所述外方孔一、外方孔二与所述内椭圆通道连通时为三挡流量状态，所述外椭圆孔一、外椭圆孔二与所述内椭圆通道连通时为三挡流量状态，在三挡流量状态，所述波形控制套筒匀速旋转从而阀输出间歇风力波形。

如图所示：所述提拉盖板通过螺栓连接至所述左阀体、所述右阀体。所述左阀体、右阀体上均设置有所述密封件。所述下驱动件为驱动电机。所述内椭圆通道的高度小于所述外椭圆孔一的高度。所述内椭圆通道的最大宽度小于所述外椭圆孔一的最大宽度。所述左阀体、右阀体一体形成。所述螺纹管焊接在所述左阀体、右阀体的下方。所述主阀芯为圆柱状。所述主阀芯的直径大于所述波形控制套筒外径的四分之三。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种风洞模拟装置，其特征在于：包括风机、吸气口、吹气口、控制阀、空气过滤器、主梁节段模型；其中所述主梁节段模型包括边缘、主梁断面、吸气端口、吸气管路、吹气端口、外接端口一、外接端口二、吹气管路，所述风机通过吸气口吸气，通过吹气口连接所述空气过滤器，所述空气过滤器输出端连接所述控制阀，所述控制阀输出端输出气体吹向所述主梁节段模型的边缘；所述主梁断面上设有外接端口一、外接端口二，外接端口一连接外接吹气设备，外接端口二连接外接吸气设备，所述边缘设有吸气端口、吹气端口，所述吸气端口通过吸气管路、外接端口二与所述外接吸气设备连接，所述吹气端口通过吹气管路、外接端口一与所述外接吹气设备连接；通过所述吹气端口、吸气端口的吹气与吸气影响吹向所述边缘的气流；

所述控制阀包括左阀体、右阀体、伺服电机、提拉盖板、左拉环、电机轴、右拉环、感测模块、密封件、波形控制套筒、主阀芯、螺纹盖、下驱动件、减震垫、螺纹管、下输出轴；其中所述波形控制套筒包括外方孔一、外方孔二、外椭圆孔一、外椭圆孔二；所述主阀芯包括内方形通道、内椭圆通道；

其中所述提拉盖板可拆卸的连接所述左阀体、所述右阀体，所述伺服电机输出动力至所述电机轴，所述电机轴与所述波形控制套筒连接，所述波形控制套筒包括上板与套筒部，所述电机轴与所述上板连接，所述上板位于所述提拉盖板的下方，所述主阀芯位于所述波形控制套筒的内部，所述主阀芯的下表面与所述套筒部的下表面平齐；所述提拉盖板上设有左拉环、右拉环，所述右阀体上方设有所述感测模块，所述感测模块包括流量计、湿度传感器；

所述主阀芯下方连接所述下输出轴，所述下输出轴由下驱动件驱动，所述螺纹管连接在所述左阀体、所述右阀体的下方，所述螺纹管包围所述下驱动件，所述下驱动件的下表面与所述螺纹管的下表面平齐，所述螺纹管外壁设有外螺纹，所述螺纹盖包括内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹配合连接，所述螺纹盖上设有所述减震垫，所述减震垫位于所述下驱动件的下表面；

沿着所述波形控制套筒的外周面所述外方孔一、外椭圆孔一、外方孔二、外椭圆孔二依次等间隔布置，四个孔的高度相等，外方孔一、外方孔二的宽度等于外椭圆孔一、外椭圆孔二的最大宽度，所述内方形通道的截面面积等于所述外方孔一、外方孔二的面积，所述内方形通道的截面面积大于所述外椭圆孔一、外椭圆孔二的面积，所述内椭圆通道的截面面积小于所述外椭圆孔一、外椭圆孔二的面积，所述内方形通道的轴线与所述内椭圆通道的轴线呈30度夹角；

所述外方孔一、外方孔二与所述内方形通道连通时为一挡流量状态，此时阀的输出风力波形为固定量波形，一挡流量状态时外方孔一周向来回摆动形成周期性急变化波形；所述外椭圆孔一、外椭圆孔二与所述内方形通道连通时为二挡流量状态，二挡流量状态时外椭圆孔一周向来回摆动形成周期性缓变化波形；所述外方孔一、外方孔二与所述内椭圆通道连通时为三挡流量状态，所述外椭圆孔一、外椭圆孔二与所述内椭圆通道连通时为三挡流量状态，在三挡流量状态，所述波形控制套筒匀速旋转从而阀输出间歇风力波形。

2.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述提拉盖板通过螺栓连接至所述左阀体、所述右阀体。

3.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述左阀体、右阀体上均设置有所述密封件。

4.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述下驱动件为驱动电机。

5.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述内椭圆通道的高度小于所述外椭圆孔一的高度。

6.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述内椭圆通道的最大宽度小于所述外椭圆孔一的最大宽度。

7.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述左阀体、右阀体一体形成。

8.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述螺纹管焊接在所述左阀体、右阀体的下方。

9.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述主阀芯为圆柱状。

10.根据权利要求1所述的一种风洞模拟装置，其特征在于：所述主阀芯的直径大于所述波形控制套筒外径的四分之三。

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