CN207798367U - 一种用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，包括在风洞壁上沿来流风方向设置的风洞壁滑道，设置在风洞壁滑道之间的直尺滑道，以及固定在直尺滑道上的夹持装置；直尺滑道和夹持装置均设有一个以上，夹持装置用于将模型夹持在直尺滑道上和调节模型的固有频率，模型沿风洞壁滑道方向振动；风洞壁滑道和直尺滑道用于调节模型的位置，以及调节模型之间的距离。本实用新型通过优化单自由度气弹模型实验装置，可通过控制模型的个数和位置，做干扰实验，继而以调节模型的固有频率和振型曲线变化，来研究获得出最优风能转换方案；且信息收集系统主要利用激光测位仪来获取模型的运动情况，继而达到更经济更实用的效果去研究风能发电。

Description

一种用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统

技术领域

本实用新型属于空气动力学中风洞实验技术领域，具体为一种用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统。

背景技术

随着经济和社会的快速发展，无线电子设备、传感器、微机电系统等低能耗电子产品的普遍应用，产品的持续供能成为了研究者关心的热点问题。由于传统供能源(如电子、电池)电量有限，并且需要定期更换，难免会增加工作的复杂程度。基于此原因，有大量学者研究了一种持续的供能装置。压电自发电技术是一种将环境振动能转化成电能的有效方式。环境的振动能形式主要有风动能、水动能、潮汐能以及机械振动能等，其中风能是可再生的清洁能源，具有储量大、分布广、绿色环保、可持续利用等优点。在一定的技术条件下，风能可作为一种重要的能源得到开发为人类生活所用。

在风工程领域，一般将空气流场中结构体的风致振动的机理主要分为颤振、抖振、涡激振动和驰振4类。压电自发电技术是基于流体力学圆柱绕流涡激振动的驱动来产生器械能。涡激振动利用均匀流下圆柱涡脱落力诱发其共振的机理捕获风能，以此形成风力驱动系统进行发电，是一种在低风速情况下有较好的适应性的发电方式。值得注意的是，上述的发电系统通常只对位于该自发电装置内的压电悬臂梁复合结构进行力学分析。但风致振动是一种复杂的气动弹性力学问题，结构体在空气流场的作用下发生振动，而振动的结构体会反过来引起流场变化，流场的变化又会进一步导致作用于结构上的气动力的改变，这就形成了结构体与气流之间的相互耦合机制，这种机制称为流固耦合。流固耦合问题是气动弹性力学中重要的一块，它并不能通过简单的势流理论来解决，而需要多学科的理论分析和严谨的实验相结合的方法进行研究。

本申请的发明人发现，大部分利用结构体的风致振动的机理实现机械能转化为电能的装置并没有考虑上文提到的气动弹性力学问题，没有基于计算流体力学数值方法，对绕流圆柱后附加不同板长条件下的流场动力学特性进行分析，以明确悬臂梁长度对脱涡频率和升力、阻力系数的影响规律。因此为了提高风能的发电效率，本实用新型设计了一套考虑气动弹性力学问题的风洞试验测试系统。

发明内容

为了解决现有技术所存在的问题，本实用新型提供一种用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，为刚度、质量、振型可以调试的单自由度气弹模型试验装置，通过优化单自由度气弹模型实验装置，方便研究利用结构体的风致振动的机理实现机械能转化为电能，制造简单，方便调试，外形适用性好。

本实用新型采用如下技术方案来实现：一种用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，包括在风洞壁上沿来流风方向设置的风洞壁滑道，设置在风洞壁滑道之间的直尺滑道，以及固定在直尺滑道上的夹持装置；所述直尺滑道和夹持装置均设有一个以上，夹持装置用于将模型夹持在直尺滑道上和调节模型的固有频率，模型沿风洞壁滑道方向振动；所述风洞壁滑道和直尺滑道用于调节模型的位置，以及调节模型之间的距离。

优选地，所述用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统还包括安装在风洞外壁的激光测位仪；所述激光测位仪通过激光测位仪的夹持支架滑动连接在风洞外壁；风洞外壁设有两根沿来流风方向设置的轨道，夹持支架的两端与所述轨道连接；夹持支架沿轨道滑动，激光测位仪沿夹持支架在风洞壁的高度方向滑动。

优选地，所述用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统还包括设置在风洞壁外面、与激光测位仪连接的信息处理系统。

优选地，所述模型的末端设有与夹持装置连接的片状结构；所述夹持装置包括基座、固定块和连接块；基座包括相垂直的侧面和底端面，基座的侧面与固定块之间设有用于插入片状结构的卡槽，且卡槽的厚度小于片状结构的厚度，基座的侧面与固定块之间紧固连接后夹紧片状结构，使片状结构随基座沿着直尺滑道而滑动；基座的底端面与连接块固定连接在直尺滑道上，直尺滑道位于基座的底端面与连接块之间。

优选地，所述片状结构为钢尺，所述固定块为钢尺固定块。

从上述技术方案可知，本实用新型设计的竖条状单自由度气弹模型试验装置，充分考虑了流固耦合效应。另外，考虑到在利用风致振动的机理实现机械能转化为电能的研究中，有可能发生涡激振动和驰振等气弹失稳振动，采用弹性模型进行气弹振动实验。本申请通过优化单自由度气弹模型实验装置，方便研究利用结构体的风致振动的机理实现机械能转化为电能。相对于现有技术，本申请具有如下的优点及效果：

(1)在风洞壁(X轴向)和试验段直尺(Y轴向)上分别设置滑道，被测物体的夹持装置可滑动连接在试验段直尺滑道上，试验段直尺滑道可沿风洞壁的滑道调节位置，本实用新型从而能够根据实验需要对模型位置进行控制，即控制模型在X、Y平面内移动；此外，试验段直尺滑道可设置多个，在直尺滑道上添加多个夹持装置，从而可以通过控制模型的个数和位置，方便做干扰实验，继而以调节模型的刚度(即固有频率)和振型曲线变化，来研究获得出最优风能转换方案。

(2)采用钢块和拧紧螺母来固定与模型末端连接的钢尺，可以方便调节钢尺的长度来调节模型的固有频率，即而可以研究在不同风力下，根据模型的振动情况来优化风能发电装置。

(3)可根据试验需要，通过利用不同横截面形状下的模型(如棱形、圆柱形、方形、异形等)的导流作用不同，在相同风速下，通过切换钢尺下的不同横截面形状的模型，方便比较找出最大风能转换的模型装置，进行风能发电。

(4)且在本模型中在风洞壁上安装激光测距移，此就可以捕捉到不同时域下模型在Y方向的运动情况。在风洞外壁上安装了激光测距仪，可以捕捉到不同时域下模型在Y方向的位移，方便记录模型的运动情况，且可从研究模型的运动情况去研究机械能转换为风能的效率。

(5)本申请设计的单自由度气弹模型，在制作与调试方面均比较简单而且经济，可以拓宽气弹试验的研究和应用；而传统的该类试验需要消耗大量的压电片，导致气弹试验的研究和应用相对较少。

附图说明

图1是本实用新型单向振动风洞试验的测试系统实验段的结构示意图；

图2是风洞壁滑道、试验段直尺滑道以及夹持装置在实验段的结构示意图；

图3是激光测位仪的安装结构示意图；

图4是模型与夹持装置的连接结构示意图；

图5是模型的结构示意图，其中a的模型横截面为棱形，b的模型横截面为圆形，c的模型横截面为方形。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

风洞试验以模型分类，主要包括刚性模型测压试验、刚性模型测力试验、单自由度气动弹性模型试验和多自由度气动弹性模型试验。本专利主要是通过优化单自由度气弹模型试验装置，利用结构体的风致振动的机理去研究实现机械能转化为电能；优化单自由度气弹模型试验装置的方式，主要是通过对模型施加风激励，继而用激光测位仪记录模型的运动情况，同时把运动情况相关的数据传输到信息处理系统，对数据进行处理，分析得到我们需要研究的目的。

如图1所示，本实用新型包括在风洞壁上沿来流风方向设置的风洞壁滑道1，设置在风洞壁滑道之间的直尺滑道2，固定在直尺滑道上的夹持装置4，以及安装在风洞外壁的激光测位仪7；本实用新型还包括与激光测位仪连接的信息处理系统5，设置在风洞壁外面。其中，直尺滑道和夹持装置均设有多个，夹持装置用于夹持被测物体，即模型3，如图2所示，便于进行模型之间的干扰实验。模型3可沿风洞壁滑道方向振动，即沿X轴方向振动。

当模拟环境风况到达被测物体(即夹持在夹持装置的模型)附近，根据流体特性发生涡脱落，产生涡激共振；直尺滑道和风洞壁滑道可以将夹持装置沿着XY两个方向移动，以研究在同一风荷载下不同位置模型的振动情况，进而研究风能收集器的发电效率。其次可以在直尺滑道上设置多个相同的夹持装置，每个夹持装置安装一个相同的模型，通过Y轴向上的直尺滑道和X轴向上的风洞壁滑道来调节模型之间的距离，用来研究相同情况下，沿Y轴方向上不同位置的风能收集器的干扰情况，进而对研究风能收集器空间位置的分布对风能采集率的影响。

参见图3，在风洞外壁上安装了激光测位仪7，以捕捉到不同时域下模型的位移。激光测位仪通过激光测位仪的夹持支架8滑动连接在风洞外壁。风洞外壁设有两根沿来流风方向设置的轨道9，夹持支架8的两端与所述轨道连接，夹持支架可沿轨道滑动；而激光测位仪可沿夹持支架在风洞壁的高度方向滑动，即Z轴方向上下移动。也就是说，在滑轨和夹持支架的共同作用下，激光测位仪即可以在风洞壁的X轴方向运动，也可以在Z轴方向运动。

如图4所示，夹持装置4用于将模型3固定在直尺滑道2上，还能用于调节与模型末端连接的钢尺6的长度，以改变模型的刚度，即固有频率。夹持装置4包括基座、钢尺固定块43和连接块42。基座包括相垂直的侧面41和底端面44，基座的侧面与钢尺固定块43之间设有用于插入钢尺6的卡槽，以使钢尺每次都固定在基座与钢尺固定块之间的同一位置，且卡槽的厚度小于钢尺的厚度，基座的侧面与钢尺固定块之间通过螺母连接，连接后夹紧钢尺，使钢尺随基座沿着直尺滑道而滑动。通过夹持装置，钢尺的长度可以方便调节，从而根据实验需要调节模型的振动拼频率。基座的底端面44与连接块42通过一个大螺母固定连接在直尺滑道上，直尺滑道位于基座的底端面与连接块之间，从而通过控制夹持装置的水平滑动间接地实现模型3的水平自由度。

本专利可以方便切换不同横截面形状的模型，方便找出一种更优化的模型装置，进行风能发电，图5示出了三种不同横截面形状的模型。在图5中，a为棱形横截面的模型，b为圆形横截面的模型，c为方形横截面的模型，通过不同横截面形状的模型来试验在来流风相同情况下的振动区别。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，包括在风洞壁上沿来流风方向设置的风洞壁滑道，设置在风洞壁滑道之间的直尺滑道，以及固定在直尺滑道上的夹持装置；所述直尺滑道和夹持装置均设有一个以上，夹持装置用于将模型夹持在直尺滑道上和调节模型的固有频率，模型沿风洞壁滑道方向振动；所述风洞壁滑道和直尺滑道用于调节模型的位置，以及调节模型之间的距离。

2.根据权利要求1所述的用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统还包括安装在风洞外壁的激光测位仪；所述激光测位仪通过激光测位仪的夹持支架滑动连接在风洞外壁；风洞外壁设有两根沿来流风方向设置的轨道，夹持支架的两端与所述轨道连接；夹持支架沿轨道滑动，激光测位仪沿夹持支架在风洞壁的高度方向滑动。

3.根据权利要求2所述的用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统还包括设置在风洞壁外面、与激光测位仪连接的信息处理系统。

4.根据权利要求1所述的用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述模型的末端设有与夹持装置连接的片状结构；所述夹持装置包括基座、固定块和连接块；基座包括相垂直的侧面和底端面，基座的侧面与固定块之间设有用于插入片状结构的卡槽，且卡槽的厚度小于片状结构的厚度，基座的侧面与固定块之间紧固连接后夹紧片状结构，使片状结构随基座沿着直尺滑道而滑动；基座的底端面与连接块固定连接在直尺滑道上，直尺滑道位于基座的底端面与连接块之间。

5.根据权利要求4所述的用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述片状结构为钢尺，所述固定块为钢尺固定块。

6.根据权利要求5所述的用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述基座的侧面与钢尺固定块之间通过螺母连接。

7.根据权利要求4所述的用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述基座的底端面与连接块通过螺母固定连接在直尺滑道上。

8.根据权利要求1所述的用于风能收集器单向振动风洞试验的测试系统，其特征在于，所述模型的横截面形状为棱形、圆形或方形。