CN203772514U - 一种可适应野外起伏地形的便携式环境风洞 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可适应野外起伏地形的便携式环境风洞，其动力段、圆形变矩形过渡段、收缩段和整流段组装在一起形成风洞首部，并加装了电动吊装系统、行走轮和牵引装置，便于首部野外转移；实验段由规格相同的标准件组成，标准件之间用弹性卡子连接；入口段为矩形结构，外端呈外翻喇叭口；动力段内放置了四台轴线平行的轴流变频风机，并分前后两两错开；风机出口和收缩段之间设有圆形变矩形的过渡段，在收缩段的末端设有整流段。从而解决了现有技术存在的实验段不能真正适应野外起伏地形、实验段截面积小等缺陷。本实用新型设计合理，风洞首部与实验段的中心均处在相对同一的水平轴线上，能够胜任野外起伏地形的生态环境实验的需要。

Description

一种可适应野外起伏地形的便携式环境风洞

技术领域

本实用新型涉及一种用于研究风对生态过程影响的便携式风洞设备。具体的说是一种可用于监测野外风蚀状况、风沙运动过程及植物种子、花粉、害虫幼虫的风力传播过程和风对植物生理生态过程的影响以及合理设计农田防护林等的可移动式风洞。 

背景技术

风洞已经普遍用于生态环境问题的研究中，如地表风蚀、风沙流运动过程等。自20世纪50年代至今，美国、前苏联、澳大利亚、加拿大等国家相继建起了20多座不同类型的移动便携风洞。在我国，中国科学院兰州沙漠研究所在20世纪60年代建成了室内风沙环境风洞，中国科学院旱区寒区环境与工程研究所、中国科学院新疆生态与地理研究所、内蒙古农业大学、中国农业大学等也建设了便携式风洞。其中中国科学院旱区寒区环境工程研究所的便携式风洞(专利号：201110132573.6)是在克服了国内其它风洞的缺点与不足建成的较先进的风洞，其具有动力段中心轴线与实验段中心轴线平齐、风洞内无导流叶栅、扩散和收缩段不对称等特点，增强了实验段气流的均匀性和稳定度。但是，其仍然存在以下几个问题：首先，风洞实验段由若干段已经建成的部分构成，实验段之间用法兰连接，故其只能在地势平坦的地区进行风蚀研究，风洞不能放置于地势起伏的地形条件下；其次，实验段截面积小，除了用于风蚀以及风沙物理的研究外，在研究其它生态学过程的时候，其实验段内的边界层厚度不能满足实验需要。 

综上所述，目前国内外风洞野外作业还存在实验段不能真正适应野外起伏地形、实验段截面积小等缺陷。 

实用新型内容

针对目前国内外便携式风洞的不足，本实用新型的目的旨在提供一种可移动便携式大断面野外环境风洞。利用实验段的巧妙设计，能使风洞在野外有较大起伏的地形条件下开展实验。利用可移动便携式风洞，可在风洞中模拟一个独立和可控的自然风条件，又可在野外天然地表上快速而有效地进行环境生态实验。 

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现： 

一种可适应野外起伏地形的便携式环境风洞，风洞为直流吹气式，依次由入口段、动力段、圆形变矩形过渡段、收缩段、整流段、实验段组成，其结构特点在于：动力段、圆形变矩形过渡段、收缩段和整流段组装在一起形成风洞首部，并加装了电动起落架、行走轮和牵引装置，便于首部的野外转移；实验段由2种1m*2m的规格相同的标准件组成，标准件之间用一种拆装便利的弹性卡子连接，连接处粘贴有密封条；入口段为矩形结构，外端呈外翻喇叭口，且入口处安装有格栅以阻挡杂物的吸入；动力段由3mm厚钢板制成，其内放置了四台轴线平行的轴流变频风机，并分前后两两错开，电机依次外接变频器和柴油发电机组，风机的出口处设置了环形平行的导流片；风机出口和收缩段之间设有由5mm厚钢板构成的圆形变矩形的过渡段，在收缩段的末端设有整流段，整流段内设有蜂窝器；实验段为无底倒扣“n”形方筒，其中顶部和一侧用1mm厚的铁皮和3cm*3cm的方形钢管框架构成的标准件组成，另一侧用5mm厚的钢化玻璃和3cm*3cm的方形钢管框架构成的标准件组成，标准件的底部安装有密封帆布条，用于试验段在野外起伏不平坦地形条件下的密封；在野外作业条件下，风洞首部与实验段的中心均处在相对同一高度的水平轴线上，且动力段、圆形变矩形过渡段、收缩段、整流段的底部与实验段内的地面相对平齐。 

上述轴流变频风机的调速范围为0-18ms^-1。 

本实用新型的优点和产生的有益效果是： 

1、本实用新型的动力段由4台轴线平行的轴流变频风机构成。这样的设计与一台风机相比，除了在达到相同风速下能够降低每台风机的 功率外，更重要的是，增加了动力段进气的稳定性。与仅有一台风机提供动力的风洞相比，在相同的进风量下，降低了每台风机的功率，降低了电机启动时对发电机的压力。4台风机对称排列，每台风机的进风在风机出风口进行了混合，相互抵消了部分扰流，较一台风机而言，可以用更短的整流段实现气流的稳定性。 

2、动力段安装有电动起落架，可保证无论在何种地形条件下，动力段、圆形到矩形过渡段、收缩段、整流段的底部都能跟实验段的底部平齐，风洞的整体轴线都保持一致。因此在任何地形条件下，气流都能通过收缩段和整流段后能够非常平顺地进入实验段，流场更加稳定均匀。 

3、风洞首部安装有行走系统和牵引装置，风洞可以方便地被牵引到诸如流动沙丘等具有较大起伏地形的环境中进行野外实验。 

4、实验段可以根据地势的起伏方便调整，能够在起伏较大的地形条件下进行野外实验。风洞试验段由尺寸相同的标准件组成，相互之间用一种方便拆装的弹性卡子连接，能够快速的拆装，并且能够根据地势起伏做出调整，以达到野外实验的要求。 

5、风洞流场均匀稳定，结构轻便耐用；由于首部安装有行走系统和牵引装置以及各试验段用卡子连接，因而搬运和拆装非常方便、省时。 

本实用新型从风洞设计和野外实验两方面证实了该风洞试验段风速具有纵向和横向的稳定性，风洞具有稳定的气流场，风速廓线为对数分布，符合自然大气边界层近地面层的风速特征。本实用新型的研制成功不仅在流体力学、空气动力学、沙漠学、地貌学的野外实验中具有重要作用，而且在环境保护、生态恢复、道路、农田的防沙治沙和风雪研究领域具有广泛的应用前景。为今后便携式风洞的设计提供一定的实践经验和理论参考，具有一定的学术价值，对于我国防治风蚀沙漠化和沙尘暴、风对植物生理生态影响过程均具有较大的实际和理论意义。 

附图说明

图1为本实用新型结构示意图； 

图2为本实用新型在起伏地形下的安装示意图； 

图3为风洞首部结构示意图； 

图4为风洞动力段风机排布示意图； 

图5为导流片结构示意图； 

图6为蜂窝器结构示意图； 

图7为实验段标准元件的框架示意图； 

图8为连接风洞实验段的卡子示意图，其中：(a)正视图，(b)左视图，(c)俯视图。 

具体实施方式

下面，结合附图，对本实用新型的技术方案再作进一步的说明： 

如图1、2所示，一种可适应野外起伏地形的便携式环境风洞，风洞为直流吹气式，依次由入口段1、动力段2、圆形变矩形过渡段3、收缩段4、整流段5、实验段6组成，其结构特点在于：动力段2、圆形变矩形过渡段3、收缩段4和整流段5组装在一起形成风洞首部(见图3)，并加装了电动起落架9、行走轮8和牵引装置7，便于首部的野外转移。实验段6由2种1m*2m的规格相同的标准件(见图7)组成，标准件之间用一种拆装便利的弹性钢筋卡子10连接(见图8)，卡子10由外卡a1、内卡a2和一根固定轴a3构成，内卡a2先折成一端开口的矩形、后再折成“U”形结构；外卡a1先折成封闭矩形、后再折成“Z”形结构；且设置在内卡a2两个开口端的轴孔与设置在外卡a1一折弯处的对称轴孔通过固定轴a3连接在一起；卡子10的紧固力主要由内卡a2的弹力提供，方便拆装主要靠外卡a1形成以固定轴a3为支点的杠杆作用而实现(见图8)，每一节实验段在风洞顶部连接处用一个带顶丝的大号卡子加固，标准件连接处粘贴有密封条。入口段1为矩形结构，外端呈外翻喇叭口，且入口处安装有格栅以阻挡杂物的吸入；动力段2由3mm厚钢板制成，其内放置了四台轴线平行的轴流变频风机(见图4)，并分前后两两错开，其中I、III号风机靠前，进风口在同一平面上，II、IV号风机靠后，进风口在同一平面上。电机依次外接变频器和柴油发电机 组，风机的出口处设置了环形平行的导流片(见图5)；风机出口和收缩段4之间设有由5mm厚钢板采用钣金和焊接工艺构成的圆形变矩形的过渡段3，完成四台风机的出风口的圆形向收缩段4的方形入口的过渡。在收缩段4的末端设有整流段5，整流段5内设有蜂窝器(见图6)；实验段6为无底倒扣“n”形方筒，其中顶部和一侧用1mm厚的铁皮和3cm*3cm的方形钢管框架构成的标准件组成，另一侧用5mm厚的钢化玻璃和3cm*3cm的方形钢管框架构成的标准件组成，标准件的底部安装有密封帆布条，用于在野外起伏不平坦地形条件下风洞底部的密封；所有标准件的尺寸相等，可以根据实际需要灵活组装，既可以将风洞的一侧全部安装成透明的钢化玻璃标准件，也可以将风洞的两侧面装成玻璃和铁皮标准件的混合组装，也可以将实验段的顶部根据需要和位置替换为钢化玻璃标准件以增加风洞内的光线强度。实验段6的各个标准件之间用相同的卡子10固定，并可以根据野外的地形调整顶部与侧板的高度，从而满足在复杂的有较大起伏的地形条件下的实验要求。在野外作业条件下，风洞首部与实验段6的中心均处在相对同一的水平轴线上，且动力段2、圆形变矩形过渡段3、收缩段4和整流段5的底部与实验段6内的地面相对平齐。 

四台风机进风口的外翻喇叭口无上翘，直接与大气相接，该设计使得吸入气流方向不发生改变，沿与风洞轴向方向直接进入整流段，可以增加入口气流的稳定性。 

风洞总重量为5吨，动力段2由四台轴线平行的轴流变频风机构成，由于风机线速度在边缘最大，而在中心最小，该设计气流可以在整流段5内更快地混合均匀。实践中，也可以缩短整流段5的长度，以增加气流稳定性。风机的额定功率为11Kw，频率范围为5-100Hz，通过变频器调节其频率。在其频率为0-55Hz的范围内，对应风速为0-18ms^-1。 

风洞的动力及控制设备包括一台功率为50Kw的三相交流同步柴油发电机和一台西崎CB540G变频器。变频器的输出频率为0-600Hz，通过调频可以实现风洞风速在0-18ms^-1范围内无极调节，一般野外风速都在18ms^-1的范围之内，因此该风洞的设计风速基本适应了野外风速的全尺 度模拟研究。 

风洞的电动起落架9由与行走轮轴结合的支架和电动铰链组成，可以将风洞首部吊起和放下，风洞首部放下时，用以连接收缩段4和整流段5的法兰在首部自身重力的作用下能陷入沙中，使得风洞首部的底面与水平地面接触，使得整流段5的出口直接与地面平齐，并且使行走轮8不承受风洞首部的压力。牵引装置7可以将风洞挂在拖车的尾部。风洞首部放稳后，可用分别安装在牵引架和车轮后方的3个支架将风洞稳固地支在地面上。 

风洞的实验段6由两种类型的尺寸相同的标准元件组成。两种标准件均使用由截面积为3cm*3cm的方形钢管焊接而成的1m*2m尺寸的框架(图7)，其中一种标准件将1mm厚的铁皮粘在框架上之后用铆钉固定，另一种将5mm厚的钢化玻璃固定在框架内。由于其相互之间可以错开一定高度安装，故实验段可满足在起伏地形条件下的安装(图2)。并且所有元件具有相同的尺寸，其在实验段的位置可以根据需要自由调换，改变不同部位的遮透光效果，从而满足不同位置的观测需要。 

风洞首部可以用拖车拖挂移动，在运移风洞时，实验段6标准元件放置于类似于集装箱的框架里，从而实现方便吊装、搬运的目的。风洞发电机也装有行走轮和牵引系统。风洞整体可用一辆中型卡车运输。20m长实验段的风洞的野外组装可由四个人在三小时内完成。 

利用本实用新型可在野外各种原始地表进行各种与风有关的生态环境试验，例如风沙流、风雪流的观测，植物生理指标对风吹的响应，植物种子、花粉和一些动物幼虫的风力传播过程，土壤水分散失等试验研究。 

Claims (2)

1.一种可适应野外起伏地形的便携式环境风洞，风洞为直流吹气式，依次由入口段(1)、动力段(2)、圆形变矩形过渡段(3)、收缩段(4)、整流段(5)、实验段(6)组成，其特征在于：动力段(2)、圆形变矩形过渡段(3)、收缩段(4)和整流段(5)组装在一起形成风洞首部，并加装了电动起落架(9)、行走轮(8)和牵引装置(7)，便于首部的野外转移；实验段(6)由2种1m*2m的规格相同的标准件组成，标准件之间用一种拆装便利的弹性卡子(10)连接，连接处粘贴有密封条；入口段(1)为矩形结构，外端呈外翻喇叭口，且入口处安装有格栅以阻挡杂物的吸入；动力段(2)由3mm厚钢板制成，其内放置了四台轴线平行的轴流变频风机，并分前后两两错开，电机依次外接变频器和柴油发电机组，风机的出口处设置了环形平行的导流片；风机出口和收缩段(4)之间设有由5mm厚钢板构成的圆形变矩形的过渡段(3)，在收缩段(4)的末端设有整流段(5)，整流段(5)内设有蜂窝器；实验段(6)为无底倒扣“n”形方筒，其中顶部和一侧用1mm厚的铁皮和3cm*3cm的方形钢管框架构成的标准件组成，另一侧用5mm厚的钢化玻璃和3cm*3cm的方形钢管框架构成的标准件组成，标准件的底部安装有密封帆布条，用于在野外起伏不平坦地形条件下的密封；在野外作业条件下，风洞首部与实验段(6)的中心均处在相对同一的水平轴线上，且动力段(2)、圆形变矩形过渡段(3)、收缩段(4)、整流段(5)的底部与实验段(6)内的地面相对平齐。 

2.根据权利要求1所述的一种可适应野外起伏地形的便携式环境风洞，其特征在于，所述轴流变频风机调速范围为0-18ms^-1。