CN116147876A - 一种高速风蚀风洞和全自动风蚀实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速风蚀风洞和全自动风蚀实验系统。高速风蚀风洞包括风洞主体和动力装置；风洞主体包括沿内部气体流动方向依次连通的动力段、扩散段、整流段、收缩段以及实验段，动力装置设置于动力段，用于产生流动的气体；动力装置包括涡轮增压风机、出气机构和翼型结构，出气机构连通涡轮增压风机与动力段，并使得涡轮增压风机提供的压缩气体以偏向或朝向内部气体流动方向的方向流经翼型结构表面后环绕进入动力段；风洞主体包括直流吹气式或循环吹气式结构。本发明提供的高速风蚀风洞流场自然、稳定，且避免了风沙对于叶片及其转轴结构的磨损，使用寿命长，安全性高，具有更强的气流，风压、风量和风速均明显大于现有技术中有叶片风洞。

Description

一种高速风蚀风洞和全自动风蚀实验系统

技术领域

本发明涉及风沙实验设备技术领域，尤其涉及一种高速风蚀风洞和全自动风蚀实验系统。

背景技术

风蚀风洞是研究风沙过程和风沙地貌的主要实验设备，能够在可控条件下研究各种动力、环境要素对风沙运动和微地貌发育过程的影响。一般航空、工业和高速交通用风洞为闭流循环式，虽然具有很大风速，但不能直接加入沙粒等介质，否则会对电机、转子轴、叶片等部件造成严重损坏，因此，不能开展风蚀过程的相关实验模拟工作。

风沙环境风洞或风蚀风洞已经得到普遍应用，可模拟各类沉积物的风蚀起动、传输与沉积过程。为避免风沙颗粒物对电机、转子轴、叶片等部件的影响，这类风洞均为开路直流吹气式结构，一般使用轴流吹气式或离心增压式风机，风速较小。现有风蚀风洞一般实验最大风速为40m/s，而实际运行风速一般在30m/s以下，因此，不能满足大风环境下(风速为70m/s)风沙砾流的风蚀实验要求。例如在我国兰新高铁途径的新疆百里风区，瞬时最大风速可达68m/s，这是野外实测的我国内陆最大瞬时风速记录值。另外我国西北地区还有很多交通线路，其途径路段的最大风速可达40m/s以上，例如格库线、哈罗线、酒额线等。这些铁路线肩负着航天、国防、资源等运输的重要功能，但沿线高强度风沙砾流和沙埋危害对其运营安全造成了巨大威胁。由于自然条件恶劣，野外系统、精密的现场观测实验很难开展，导致对大风条件下风沙砾流的传输过程和致灾机理认识不清，而目前直接在高风速地区应用低风速地区相同或类似的沙害治理措施，其效果甚微。

强风和强输沙环境(例如戈壁和沙质海岸、岛屿)风蚀过程的风洞模拟实验是探明该区域风沙砾流运动规律的理想途径，但现有风蚀风洞不能开展高风速环境下(风速为70m/s)的携沙风模拟实验，限制了此类高风速环境下的风蚀过程研究。

除了现有风蚀风洞不具备高风速条件下的风蚀过程模拟功能外，配合风洞使用的实验测量系统也存在不足，主要表现在以下三个方面：

首先，现有采集输沙廓线的梯度式积沙仪没有自动采集功能，仅在每组实验结束后通过人工称重，得出一定时间段内不同高度输沙量的累积数据。因此，无法实现风沙过程随时间变化特征的精确捕捉，极大限制了风蚀研究的深入发展。例如，对于不均匀的沙砾混合质床面，风蚀开始时细粒物质先被风蚀，先期输沙量较大，之后输沙量会逐渐减少，其输沙量随时间始终在变化。对于这一过程，现有的梯度式积沙仪仅能得到的一段时间内输沙量的累积值，在床面的粗化过程中，很难捕捉到实时的输沙量变化特征。再如，在湿沙床面，输沙量随床面蒸发过程一直在增加，而实验结果为一段时间内输沙量的累积值，该累积固定值和变化的床面湿度间无法进行拟合。因此，现有积沙仪的缺陷限制了风沙传输过程研究的进一步发展。

其中较为先进的“风蚀风洞集沙仪”，加装了电子秤，具备数据自动采集功能，但积沙盒空间布局为1列式，空间不足限制了积沙盒的直径仅有2厘米，长度为20厘米，容积很小，实验待机时间短，这也是传统积沙仪的通病。另一个限制是，积沙盒的1列式空间布局，使得积沙仪高度增加，上部积沙管和积沙罐的倾斜连接段会变得很长，影响沙粒顺利、及时的进入积沙罐，从而导致数据的延迟效应。因此研发一种具有数据自动精确采集功能、较大容量、长待机时间的梯度式积沙仪非常必要。

其次，准确测定风沙颗粒的起动风速对于风沙物理研究具有重要意义。但是由于沙粒起动瞬间具有瞬时、高速、微量等运动学特征，因此起动风速值是一个很难准确测定的实验常数，研究者们使用的方法都不尽相同。目前起动风速的测定方法主要包括5种，肉眼识别法、胶带法、片状光源观察法、风蚀传感器、叉式光电传感器，但这些方法都存在各自的缺陷，不能客观、准确的测定风蚀沙粒的起动风速值。

另外，依据沉积物样品的种类、数量、颗粒大小、吹蚀时间、表面湿度等参数的差异，风洞内铺设沉积物的实验沙盘，其长度、宽度、深度往往需要调整。开展不同风沙过程(起动、输沙或磨蚀过程)的风洞模拟实验，所需沙盘的大小和长度也不尽相同。例如，起动过程的模拟只需60cm以上长度的沙盘，而为了获得饱和风沙流，干沙传输过程的模拟至少需要4米长度的沙盘，对于湿沙或沙砾混合质床面，这个长度还要相应增加至6-10m。因此，在每次实验前，往往要根据实验模拟的具体过程或对象，重新制作或改造沙盘，这往往费工、费时，造成风洞底板的浪费，降低了实验效率。

综上所述，研发一种高速风蚀风洞及配套的全自动实验系统，流场自然、稳定，实验段风速可达70m/s，满足大风环境下风蚀研究的需要，提高风蚀参数数据采集的精细化和自动化程度，已经成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高速风蚀风洞和全自动风蚀实验系统。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种高速风蚀风洞，包括风洞主体和动力装置；所述风洞主体包括沿内部气体流动方向依次连通的动力段、扩散段、整流段、收缩段以及实验段，所述动力装置设置于所述动力段，用于产生流动的气体；所述动力装置包括涡轮增压风机、出气机构和翼型结构，所述出气机构连通所述涡轮增压风机与动力段，并使得所述涡轮增压风机提供的压缩气体以偏向或朝向所述内部气体流动方向的方向流经翼型结构表面后环绕进入所述动力段。

第二方面，本发明还提供一种全自动风蚀实验系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的高速风蚀风洞以及测试组件；所述测试组件包括：输沙廓线全自动测试单元，至少用于测定所述实验段内的输沙廓线时间序列数据；

在一些优选实施方案中，还包括起动风速全自动测试单元，至少用于测定所述实验段内的沉积物起动风速；

在一些优选实施方案中，还包括长宽可调的伸缩式沙盘测试单元。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1、本发明所提供的高速风蚀风洞，洞体内部无叶片及其转轴结构，避免了叶片切割空气来推动气流产生的剧烈的风力冲击、涡流和旋转风，流场自然、稳定，且避免了风沙对于叶片及其转轴结构的磨损，使用寿命长，安全性高。

2、本发明所提供的高速风蚀风洞的无叶风机利用涡轮增压风机和空气倍增作用，具有更强的气流，风压、风量和风速均明显大于现有技术中有叶片风洞，实验段风速可达70m/s，满足了大风环境下风蚀研究的需要。

3、本发明所提供的全自动风蚀实验系统可以将高风速、高流场品质与输沙廓线全自动测试单元相结合，有利于沙粒在高层传输，输沙在高度分布上将更加均匀，可准确捕捉到在现有技术中的风蚀风洞中很难被观测到的输沙规律；可以将高风速、高流场品质与起动风速全自动测试单元相结合，可以实现在现有技术中的风蚀风洞中无法进行的大直径砾石跃移起动观测。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本申请的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种直流吹气式风洞主体的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种循环吹气式风洞主体的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种无叶风机的正面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种无叶风机的立体结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种无叶风机的局部剖面结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种输沙廓线全自动测试单元的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种输沙廓线全自动测试单元的积沙桶排布示意图；

图8是本发明实施例提供的一种输沙廓线全自动测试单元的电子秤排布示意图；

图9是本发明实施例提供的一种起动风速全自动测试单元的正面结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种伸缩式沙盘测试单元形成较大的沙盘时的俯视结构示意图；

图11是本发明实施例提供的一种伸缩式沙盘测试单元形成较小的沙盘时的俯视结构示意图；

图12是本发明实施例提供的一种伸缩式沙盘测试单元的局部连接结构示意图；

图13是本发明实施例提供的一种伸缩式沙盘测试单元的漏沙口局部结构示意图；

附图标记说明：

10、风洞主体；

101、动力段；102、扩散段；103、整流段；104、收缩段；105、实验段；106、连接段；107、转弯连接段；108、低温段；

20、动力装置；

201、无叶风机；202、轮增压风机；203、出气机构；204、翼型结构；205、环状气道；206、环形出风口；207、变频控制器；208、加热装置；209、气体发生器；210、流场结构；

30、输沙廓线全自动测试单元；

301、积沙管；302、延伸段；303、积沙桶；304、电子秤；305、数据采集仪；306、积沙盒；307、积沙盖；308、倾斜部；

40、起动风速全自动测试单元；

401、沙盘；402、铺沙段；403、收窄段；404、拍摄通道；405、沙粒捕集槽；406、识别区；407、微型高速摄像机；408、刮沙板；409、上风向延伸段；410、升降平台；411、放大镜；412、摄像机支架；413、梯度式皮托管；414、数采仪；415、电脑；

50、伸缩式沙盘测试单元；

501、底板；502、横向嵌入式轨道；503、纵向嵌入式轨道；504、横向滑杆；505、纵向滑杆；506、滑杆底座；507、漏沙口；508、堵漏圆盘；509、固定轴；510、积沙仪安装口。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

参见图1-图5，本发明实施例提供一种高速风蚀风洞，包括风洞主体10和动力装置20；

所述风洞主体10包括沿内部气体流动方向依次连通的动力段101、扩散段102、整流段103、收缩段104以及实验段105，所述动力装置20设置于所述动力段101，用于产生流动的气体；

所述动力装置20包括涡轮增压风机202、出气机构203和翼型结构204，所述出气机构203连通所述涡轮增压风机202与动力段101，并使得所述涡轮增压风机202提供的压缩气体以偏向或朝向所述内部气体流动方向的方向流经翼型结构204表面后环绕进入所述动力段101。

其中，翼型结构204是指横截面具有机翼横截面形状的结构，当气流流经所述翼型结构204时，被汇聚并加速，基于伯努利定律，无粘性的流体速度增加时，流体的压力或势能总和将减少，形成一股风速及风量都远大于四周的气流，通过这一股高速气流产生的气压差，将所述出气机构203后方及周围的空气引入，形成较大的气流；该翼型结构204可以为单独设置的翼面结构，例如在所述动力段101内部固设一环形翼型结构204，或如下所述，使得至少环状气道205具有翼型的横截面形状；压缩气体环绕进入动力段101的实现方式可以如下所述的环形出风口206，也可以是多个独立的出风口沿动力段101内壁环形分布。

参见图2-图5，在一些实施方案中，所述出气机构203包括与所述涡轮增压风机202连通的环状气道205和设置于所述环状气道205内侧表面的环形出风口206；

所述环状气道205在所述环形出风口206朝向的一侧的至少部分内侧表面具有翼型的横截面形状以构成所述翼型结构204。

在一些实施方案中，所述涡轮增压风机202的额定功率为200-500kW，所述动力装置20还包括与所述涡轮增压风机202电连接的变频控制器207，所述变频控制器207的变频范围为0-50Hz。

在一些实施方案中，所述动力装置20包括加热装置208，用于调节进入所述动力段101的压缩空气的温度；

在一些实施方案中，所述加热装置208包括设置于所述环状气道205中的环形陶瓷电热丝；

和/或，所述动力装置20包括气体发生器209，所述气体发生器209用于调节所述压缩空气的组分；

在一些实施方案中，所述气体发生器209包括二氧化碳发生器、氮气发生器、氧气发生器以及湿润空气发生器中的一种或多种组合。

在一典型的实施案例中，所述动力装置20包括设置于所述动力段101的无叶风机201、变频控制器207、气体发生器209三部分，至少用于调控所述风洞主体10内的风速、气流温湿度和气体成分；所述无叶风机201包括环状气道205和底座系统两部分，所述底座系统包括带进风口的底座腔体、腔体内部设置的涡轮增压风机202、涡轮增压风机202底座三部分。所述环状气道205内部设置的环形加热陶瓷电丝；所述气体发生器209包括二氧化碳发生器、氮气发生器、氧气发生器、湿润空气发生器四部分。

无叶风机201使用空气增倍机原理，通过涡轮增压风机202(电机额定功率为200-500kw)将底座周围空气吸入并增压，传送至上方的环状气道205中，并沿着环形出风口206喷出，形成气流，会被翼型结构204的导风斜道汇聚并加速，基于伯努利定律，无粘性的流体速度增加时，流体的压力或势能总和将减少，形成一股风速及风量都远大于四周的气流，通过这一股高速气流产生的气压差，将所述出气机构203后方及周围的空气引入，加速并放大后形成一股稳定且强大的气流吹出，形成如图5所示的流场结构210。

该涡轮增压风机202与底座外的变频控制器207(变频范围0-50Hz)相连，实现环状气道205的出口风速在0-50m/s范围内连续可调，对应的实验段105风速在0-70m/s范围内连续可调。

继续参见图1及图2，在一些实施方案中，所述风洞主体10包括直流吹气式结构或循环吹气式结构；

所述直流吹气式结构还包括设置于所述动力段101和扩散段102之间的连接段106，动力段101、连接段106、扩散段102、整流段103、收缩段104以及实验段105沿直线方向依次连通；

在一典型实施案例中，连接段106长度1m，宽度1.7m，高度1.2m；整流段103长度2.2m，宽度2.4m，高度1.2m；扩散段102长度1.8m，其入口截面与连接段106截面一致，其出口截面与整流段103截面一致；收缩段104长度2.0m，其入口截面与整流段103截面一致，其出口宽度1.0m，高度1.2m；实验段105长度25.0m，宽度1.0m，高度1.2m，实验段105共等分为10段，每段长度2.5m；

进一步的，所述扩散段102内分别设有水平导流片和垂直导流片；

进一步的，所述实验段105的侧窗和顶窗采用一层以上的透明强化玻璃制成；

进一步的，所述整流段103内设有蜂窝器和阻尼网；

进一步的，所述风洞主体10中各段的径向截面均为矩形；

进一步的，所述风洞主体10中各结构段，均由整体折弯、并开有凹凸槽的法兰相互连接，并且所述法兰间夹有橡胶垫片；

进一步的，所述风洞主体10中各结构段均为不锈钢材质的，且各结构段的筒壁厚度为3mm～5mm；

所述循环吹气式结构还包括设置于所述实验段105之后的积沙段，动力段101、扩散段102、整流段103、收缩段104、实验段105以及积沙段呈矩形首尾连通，并在所述矩形的任意两边的相接处设置转弯连接段107。

在一典型实施案例中，所述风洞主体10包括依次连接的动力段101、第一扩散段102、整流段103、第一收缩段104、实验段105、第二扩散段102、第一转弯连接段107、第一低温段108、第二转弯连接段107、第三扩散段102、积沙段(即底部积沙室)、第二收缩段104、第三转弯连接段107、第二低温段108，所述第二低温段108经第四转弯连接段107与动力段101连接。

在一些实施方式中，所述动力段101、第一扩散段102、第一收缩段104、实验段105、第二扩散段102、第一低温段108、第三扩散段102、第二收缩段104、第二低温段108的长度分别为所述风洞主体10总长度的1/10、1/10、1/5、6/25、3/50、1/5、4/25、4/25、1/5。

参见图6-图13，本发明实施例还提供一种全自动风蚀实验系统，包括上述高速风蚀风洞以及测试组件；

所述测试组件包括：

输沙廓线全自动测试单元30，至少用于测定所述实验段105内的输沙廓线时间序列数据；

在一些实施方案中，所述测试组件包括：起动风速全自动测试单元40，至少用于测定所述实验段105内的沉积物起动风速；

在一些实施方案中，所述测试组件包括：伸缩式沙盘测试单元50。

继续参见图6-图8，在一些实施方案中，所述输沙廓线全自动测试单元30包括多个积沙采集组件，所述积沙采集组件包括积沙管301、延伸段302、积沙桶303、电子秤304以及数据采集仪305；

所述积沙管301的第一端沿水平方向延伸并设置开口，所述延伸段302与积沙管301的第二端连通并朝向所述积沙桶303内延伸，以使所述积沙管301收集的沙尘能够落入所述积沙桶303内；

多个所述积沙管301的开口位置分布于不同的高度；

所述电子秤304设置于所述积沙桶303的下方，用于称量所述积沙桶303内沙尘的质量，所述数据采集仪305与所述电子秤304电连接并至少用于实时记录所述电子秤304的称量值。

在一些实施方案中，所述积沙采集组件还包括积沙盒306和积沙盖307，所述积沙盖307扣合于所述积沙盒306开口部，用于阻止沙尘未经所述积沙管301进入所述积沙盒306内；

所述积沙管301贯穿所述积沙盖307并沿直线排列，所述延伸段302包括倾斜部308，使得所述积沙桶303沿所述积沙管301形成的平面左右交替排列，且多个所述延伸段302的倾斜部308的长度均相等；

在一些实施方案中，所述全自动风蚀实验系统还包括风蚀传感器和/或风速廓线传感器，所述数据采集仪305的采集频率为1-100Hz，且与所述风蚀传感器和/或风速廓线传感器的采集频率一致。

在一些典型实施案例中，积沙管301、延伸段302和积沙盖307，为焊接在一起的一体式结构，积沙管301和延伸段302为不锈钢方管制成，积沙盖307为不锈钢钢板制成。每个延伸段302均向两侧延伸出去，底口处伸入对应积沙桶303的内沿，每个积沙管301和延伸段302均对应一个固定号码的积沙桶303，单号积沙桶303在积沙箱靠内侧排列布设，双号积沙桶303在积沙箱靠外侧排列布设。每个积沙桶303底部均有一个对应号码的电子秤304，积沙桶303底部粘贴固定在各自对应的电子秤304上，所有的电子称与积沙桶303外部的数采仪414相连接，采集不同高度输沙率的时间序列数据，即输沙廓线的时间序列数据。

积沙盖307上部积沙管301的高度为40-60cm，积沙盖307下部积沙箱的高度为40-50cm，该全自动输沙廓线仪总高度为80-110cm。积沙管301的管口宽度为2厘米，管口高度为2厘米，即每2厘米一个高度梯度，每个积沙口延伸段302底部，均连通至积沙箱内1个对应的积沙桶303，共20-30个积沙桶303。每个积沙桶303都被放置在一个相对应的高精度微型电子秤304之上，并和该电子秤304粘合固定在一起。共使用20-30个高精度微型电子秤304分别进行每个积沙桶303的称重，高精度微型电子秤304为不锈钢的圆柱体结构，直径4-5cm，高度2-3cm。积沙桶303为顶部开口的不锈钢圆桶，直径为6-7cm，高度为20-30cm。使用配备扩展卡槽的CR1000X数采仪414进行同步数据采集，采集频率为1-100Hz。

通过连接积沙管301延伸段302，将每个积沙管301底部向两侧扩展延伸，使积沙盒306的空间布局从1列改为4列，增加了放置积沙盒306的空间，较之传统的“风蚀风洞集沙仪”，积沙盒306的直径由2cm增加至6-7cm，极大的扩展了积沙盒306的容量和底部空间；另外，在每个积沙盒306底部加装自动称重系统。与风蚀风洞集沙仪相比，实现了更长时间输沙廓线时间序列数据的自动采集，具有大容量、待机时间长的优点。积沙仪的倾斜连接段106，即积沙管301延伸段302均向两侧延伸，其长度不随积沙管301的高度而发生变化，较之传统的“风蚀风洞集沙仪”，不会产生数据延迟效应，因此数据自动采集精确高。

现有技术中的积沙仪需要在一个风速的输沙实验结束后，人工称重每个积沙盒306内的沙量，然后清空所有积沙盒306，重新安装积沙仪后再继续开展下一个风速的输沙实验。实验工序繁琐、费时费力。例如，在输沙过程的风洞模拟实验中，一般风速设定为6组(6、8、10、12、14、16m/s)，每组风速下的实验均包括吹蚀、称重和重新布设积沙仪的多个工序，时间需要20分钟左右，因此，一个样品的总实验过程需要至少2小时左右。另外，床面长时间被吹蚀会导致床面下降，需要在实验过程中不断给床面补充沉积物，以保持床面和风洞底板501面的齐平，此工序也会浪费一定时间。

本发明实施例提供的输沙廓线全自动测试单元30在实验过程中，不需要多次人工称重和重新布设，仅需要布设一次床面，当一个风速的输沙实验结束时，可继续增加风速至下一个目标风速，每个风速的吹蚀时间20-60s即可，一个样品的总实验可在2-5分钟内完成，整个实验过程实现了不同高度输沙量的自动连续采集和记录。

因此，本发明使同一沉积物不同风速下输沙廓线数据的采集集约化，简化了实验工序，使实验过程从2小时降到5分钟，大大节约了劳动和时间成本，提高了实验效率。时间序列的输沙廓线数据也为传输过程的细节捕捉和精确分析提供了可能。

本发明实施例提供的输沙廓线全自动测试单元30的输沙率采集频率优选为100Hz，同风蚀传感器的颗粒冲击数目和动能，以及风速廓线采集频率均一致，通过沙粒质量，数量、动能和摩阻风速同步输沙廓线时间序列数据，可以更加准确的捕捉风沙流中颗粒与床面的交互作用。如果配合气象仪器使用，还可以分析、解读输沙率与气象要素(例如空气的温度，湿度，以及大气压等要素)之间的互馈关系。而上述这些功能都是以往人工称重或低频采集(1Hz)的梯度式积沙仪所不具备的。

继续参见图9，在一些实施方案中，所述起动风速全自动测试单元40包括沙盘401，所述沙盘401上设置有彼此分隔的多个试验单元，每一试验单元包括沿风向依次设置的铺沙段402、收窄段403、拍摄通道404和沙粒捕集槽405，所述铺沙段402用于铺设实验用沙，所述铺沙段402、收窄段403和拍摄通道404的宽度依次减小，所述拍摄通道404内设有与微型高速摄像机407对应的拍摄区，所述沙粒捕集槽405具有V型槽底，所述V型槽底分布有沙粒识别区406；

在一些实施方案中，所述沙粒捕集槽405下部还连接有放大镜411，所述放大镜411对应沙粒识别区406设置；

在一些实施方案中，所述V型槽底由透光率>93％的超白玻璃组装形成。

在一些实施方案中，所述沙盘401上设有多个垂直隔板和/或刮沙板408；所述多个垂直隔板彼此间隔设置，从而在沙盘401上分隔出多个试验单元；所述刮沙板408用于将铺设于多个铺沙段402的实验用沙的沙面整理平齐；

在一些实施方案中，所述风蚀颗粒起动风速测试装置还包括上风向延伸段409302，所述上风向延伸段409302、沙盘401沿风向依次设置；

在一些实施方案中，所述风蚀颗粒起动风速测试装置还包括与沙盘401连接的升降平台410。

在一些实施方案中，在工作时所述风蚀颗粒起动风速测试装置被设置于实验段105，并且各铺沙段402的实验用沙的沙面与实验段105底板501表面、上风向延伸段409302表面、各垂直隔板的底面处于同一水平面，且所述风蚀颗粒起动风速测试装置前缘与风洞底板501无缝连接。

在一些实施方案中，所述刮沙板408的两端设置在垂直隔板上，且底部边沿处在多个铺沙段402的实验用沙的沙面位置；和/或，所述沙盘401为长方形下陷式结构，长度为70cm，宽度为30-45cm，深度为4cm；和/或，所述铺沙段402的长度为70cm，宽度为10-15cm；和/或，所述收窄段403的一端宽度与相应铺沙段402相等，另一端宽度与相应拍摄通道404相等，且长度为8cm；和/或，所述拍摄通道404的长度为12cm，宽度为3-5cm；和/或，所述垂直隔板的高度为3cm；和/或，所述拍摄区为半径3-5cm的圆形区域；和/或，上风向延伸段409302的长度为5cm，宽度为30-45cm。

在一些实施方案中，所述刮沙板408上部的两端沿水平方向突设有两个与垂直隔板配合的角，所述刮沙板408的上端长度为14-19cm、下端长度为10-15cm，总高度为5cm，所述角的突出长度为2cm，高度为2cm。

在一些实施方案中，所述沙粒捕集槽405下部还连接有放大镜411，所述放大镜411对应沙粒识别区406设置；和/或，所述沙粒识别区406为线性区域；和/或，所述沙粒捕集槽405的顶部开口长度为15cm，宽度为10-15cm，深度为30cm；和/或，所述沙粒捕集槽405为V字型槽；和/或，所述沙粒捕集槽405的槽底的角度为30°；和/或，所述V型槽底由透光率>93％的超白玻璃组装形成。

在一些实施方案中，还包括摄像机支架412，用于将微型高速摄像机407设置在相应的拍摄区上方。

在一些实施方案中，所述微型高速摄像机407与拍摄区的竖直距离为5-10cm，并且所述微型高速摄像机407的镜头向下对准相应拍摄区。

在一些实施方案中，所述全自动风蚀实验系统还包括梯度式皮托管413，所述梯度式皮托管413与数采仪414和电脑415相连接；所述梯度式皮托管413设置在距离沙盘401上风向边沿1-3m的实验段105中轴线位置，并用于对多个高度处的风速进行测定。

在一些典型实施案例中，刚开始起动时，沙粒速度较小，基本处于贴地运动状态，起动的沙粒几乎全部落入V型沙粒捕集槽405，并集中在V型槽底识别区406的线性区域里，高透明度的超白玻璃和10倍长方形放大镜411，让观察员很容易发现槽底的沙粒；当发现槽底有几颗沙粒时，记录此刻的准确时间为起动时间，根据此起动时间，在从时间序列的风速数据中查找到对应的起动风速值，或根据风速梯度数据计算起动摩阻风速值；与人眼凭感觉直接观察床面沙粒的起动过程相比，具有可轻松识别、准确度高的优点，因此实验结果更加客观，基本解决了目前各种测定方法中遇到的缺陷问题，为风洞中沙粒起动风速的准确界定提供了一种科学、实用的新装置。

在一些典型实施案例中，沙盘401垂直隔板的收口设计，使少量沙粒集中通过狭窄的拍摄通道404，提高了拍摄区在单位面积内的运动沙粒数目，使得影像回放中的运动沙粒更容易被识别，增加了沙粒通过瞬间在图像里的识别几率，提高了起动时间界定的准确度，继而提高了起动风速值的准确度。

在一些典型实施案例中，被沙盘401垂直隔板隔开的试验单元分别对应下风向各个独立的高速摄像机和V型捕集槽，该设计使不同种类沙粒的试验单元、运动路径和观察识别系统完全独立、互不干扰，从而实现多种颗粒物起动风速的同步、精准观测。

在一些典型实施案例中，可同步开展多组沉积物的风蚀起动实验，由于是同时、同步、同一沙盘401开展的实验，包括沙床面风速的微小波动等边界条件都几乎一致；特别是对于上风向供沙情况下冲击起动风速的测定，可保证作用在床面的冲击沙粒的浓度、能量基本相同，因此结果更加准确；由于是多组沉积物同步开展实验，只需布设一次床面，就可以完成多种颗粒起动风速的测定，因此避免了床面的重复布设，缩短了实验时间，提高了该类实验的时间效率；此外，当影像和V型观察槽得到的起动时间值不一致时，取较小的值作为最终结果，实现了两种观测方法的同步应用，起到互相补充、效验的双保险效果。

继续参见图10-图12，在一些实施方案中，所述伸缩式沙盘测试单元50包括底板501、在底板501上表面对称设置的多个横向嵌入式轨道502、多个纵向嵌入式轨道503、具有多种长度的多个横向滑杆504、纵向滑杆505以及滑杆底座506；

所述滑竿底座的底部与所述横向嵌入式轨道502或纵向嵌入式轨道503可滑动地扣合，顶部与所述横向滑竿或纵向滑竿扣合。

其中，多种长度是指横向滑竿的其中一种长度与某一次风蚀实验所需的实验用沙盘宽度相等。

在一些典型实施案例中，嵌入式轨道分为三道横向嵌入式轨道502和两道纵向嵌入式轨道503，其横截面为“工字形”铝型材，截面高度为2-3cm，截面宽度为2-3cm。嵌入式安装在实验段105底板501上，嵌入式轨道顶面和实验段105底板501面齐平；

滑杆分为两道纵向滑杆505和两道横向滑杆504，均为长方体铝型材立柱，截面高度为3-5cm，截面宽度为2-3cm，因此沙床深度为3-5cm。滑杆的底面中部凹进，底面两侧与实验段105底板501面齐平。

滑杆底座506的顶部为凸出长方体结构，可以深入滑杆底面的凹进部位，其凹凸形状吻合，使滑杆能够在滑杆底座506上自由滑动。滑杆底座506的底部截面呈“T字形”内凹，与嵌入式轨道上半部分相吻合，能够在嵌入式轨道上自由滑动；

在一些典型实施案例中，实验段105底板501的长度依据实验段105规格而定，一般为1.2-3m，因此纵向滑杆505长度为1-2.5m。当实验实验用沙盘所需长度大于2.5m时，可在原有可伸缩式伸缩式沙盘测试单元的上风向或下风向加装一个或多个伸缩式沙盘测试单元，使实验实验用沙盘的长度达到1-10m，此实验用沙盘长度满足绝大部分风蚀实验的需要；

在一些典型实施案例中，实验段105底板501的宽度依据实验段105规格而定，一般为60-120cm，横向滑杆504长度从20cm至实验段105宽度不等，因此横向滑杆504长度为20-120cm不等，并以10cm为间隔，分为11种长度规格，分别是20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120cm。此实验用沙盘宽度可满足绝大部分实验段105宽度和风蚀实验的需要

继续参见图13，在一些实施方案中，所述底板501设置有可开闭的漏沙口507。

在一些实施方案中，利用堵漏圆盘508封闭所述漏沙口507，所述堵漏圆盘508通过固定轴509可旋转地连接至漏沙口507旁，当所述堵漏圆盘508以固定轴509为轴进行水平方向的旋转时，漏沙口507可由封闭状态转换为打开状态。

利用上述实施方案进行实验的步骤包括：首先，移动两纵向滑杆505，使其间距达到实验方案中实验用沙盘的设计宽度，并安装该宽度所匹配的横向滑杆504；其次，可通过向下风向滑动纵向滑杆505来缩减实验用沙盘长度，通过向上风向滑动纵向滑杆505来增加实验用沙盘长度，还可以在该可伸缩式伸缩式沙盘测试单元的上风向或下风向，加装一个或多个该伸缩式沙盘测试单元50，继续延长实验用沙盘的长度，已达到实验方案中实验用沙盘的设计长度；然后，在积沙仪安装口510，布设本发明中的输沙廓线全自动测试单元30或其他种类的测试单元，铺设沙面后开始实验，完成实验后，转动堵漏圆盘508打开漏沙口507，清理实验用沙盘内的沙粒物，完成整个实验过程。

基于上述技术方案，本发明提供的伸缩式沙盘测试单元50可以依据沉积物样品的种类、数量、颗粒大小、吹蚀时间、表面湿度等参数差异，调节实验用沙盘长宽，实现了风洞内实验实验用沙盘的长度、宽度灵活可调，满足了绝大部分风蚀风洞和风蚀实验的需要；在每次实验前，可以根据实验模拟的具体过程或对象做出适应性调整，无需重新制作或改造实验用沙盘，只需滑动滑杆，将实验用沙盘调至合适的长度和宽度即可。节约了实验的材料、人工和时间成本，增加了实验效率。可长期重复使用，适用于起动、传输、磨蚀、风蚀地貌等大部分风蚀过程的实验模拟需要，以及大部分的风蚀沉积物。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速风蚀风洞，包括风洞主体和动力装置；

所述风洞主体包括沿内部气体流动方向依次连通的动力段、扩散段、整流段、收缩段以及实验段，所述动力装置设置于所述动力段，用于产生流动的气体；

其特征在于，所述动力装置包括涡轮增压风机、出气机构和翼型结构，所述出气机构连通所述涡轮增压风机与动力段，并使得所述涡轮增压风机提供的压缩气体以偏向或朝向所述内部气体流动方向的方向流经翼型结构表面后环绕进入所述动力段；

所述风洞主体包括直流吹气式结构或循环吹气式结构；

所述直流吹气式结构还包括设置于所述动力段和扩散段之间的连接段，动力段、连接段、扩散段、整流段、收缩段以及实验段沿直线方向依次连通；

所述循环吹气式结构还包括设置于所述实验段之后的积沙段，动力段、扩散段、整流段、收缩段、实验段以及积沙段呈矩形首尾连通，并在所述矩形的任意两边的相接处设置转弯连接段。

2.根据权利要求1所述的高速风蚀风洞，其特征在于，所述出气机构包括与所述涡轮增压风机连通的环状气道和设置于所述环状气道内侧表面的环形出风口；

所述环状气道在所述环形出风口朝向的一侧的至少部分内侧表面具有翼型的横截面形状以构成所述翼型结构。

3.根据权利要求2所述的高速风蚀风洞，其特征在于，所述涡轮增压风机的额定功率200-500kw，所述动力装置还包括与所述涡轮增压风机电连接的变频控制器，所述变频控制器的变频范围为0-50Hz。

4.根据权利要求2所述的高速风蚀风洞，其特征在于，所述动力装置包括加热装置，用于调节进入所述动力段的压缩空气的温度；

优选的，所述加热装置包括设置于所述环状气道中的环形陶瓷电热丝。

5.根据权利要求2所述的高速风蚀风洞，其特征在于，所述动力装置包括气体发生器，所述气体发生器用于调节所述压缩空气的组分；

优选的，所述气体发生器包括二氧化碳发生器、氮气发生器、氧气发生器以及湿润空气发生器中的一种或多种组合。

6.一种全自动风蚀实验系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的高速风蚀风洞以及测试组件；

所述测试组件包括：

输沙廓线全自动测试单元，至少用于测定所述实验段内的输沙廓线时间序列数据；

和/或，起动风速全自动测试单元，至少用于测定所述实验段内的沉积物起动风速；

和/或，长宽可调的伸缩式沙盘测试单元。

7.根据权利要求6所述的全自动风蚀实验系统，其特征在于，所述输沙廓线全自动测试单元包括多个积沙采集组件，所述积沙采集组件包括积沙管、延伸段、积沙桶、电子秤以及数据采集仪；

所述积沙管的第一端沿水平方向延伸并设置开口，所述延伸段与积沙管的第二端连通并朝向所述积沙桶内延伸，以使所述积沙管收集的沙尘能够落入所述积沙桶内；

多个所述积沙管的开口位置分布于不同的高度；

所述电子秤设置于所述积沙桶的下方，用于称量所述积沙桶内沙尘的质量，所述数据采集仪与所述电子秤电连接并至少用于实时记录所述电子秤的称量值。

8.根据权利要求7所述的全自动风蚀实验系统，其特征在于，所述积沙采集组件还包括积沙盒和积沙盖，所述积沙盖扣合于所述积沙盒开口部，用于阻止沙尘未经所述积沙管进入所述积沙盒内；

所述积沙管贯穿所述积沙盖并沿直线排列，所述延伸段包括倾斜部，使得所述积沙桶沿所述积沙管形成的平面左右交替排列，且多个所述延伸段的倾斜部的长度均相等；

优选的，所述全自动风蚀实验系统还包括风蚀传感器和/或风速廓线传感器，所述数据采集仪的采集频率为1-100Hz且与所述风蚀传感器和/或风速廓线传感器的采集频率一致。

9.根据权利要求6所述的全自动风蚀实验系统，其特征在于，所述起动风速全自动测试单元包括沙盘，所述沙盘上设置有彼此分隔的多个试验单元，每一试验单元包括沿风向依次设置的铺沙段、收窄段、拍摄通道和沙粒捕集槽，所述铺沙段用于铺设实验用沙，所述铺沙段、收窄段和拍摄通道的宽度依次减小，所述拍摄通道内设有与微型高速摄像机对应的拍摄区，所述沙粒捕集槽具有V型槽底，所述V型槽底分布有沙粒识别区；

和/或，所述沙粒捕集槽下部还连接有放大镜，所述放大镜对应沙粒识别区设置；

和/或，所述V型槽底由透光率>93％的超白玻璃组装形成。

10.根据权利要求6所述的全自动风蚀实验系统，其特征在于，所述伸缩式沙盘测试单元包括底板、在底板上表面对称设置的多个横向嵌入式轨道、多个纵向嵌入式轨道、具有多种长度的多个横向滑杆、纵向滑杆以及滑杆底座；

所述滑竿底座的底部与所述横向嵌入式轨道或纵向嵌入式轨道可滑动地扣合，顶部与所述横向滑竿或纵向滑竿扣合；

优选的，所述底板设置有可开闭的漏沙口。

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