CN209594521U - 一种小型鸟类或昆虫迁徙习性研究的风洞实验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型鸟类或昆虫迁徙习性研究的风洞实验系统，包括回流式低速风洞洞体、风洞支撑装置、多功能环境模拟装置、性能参数测量装置，所述回流式低速风洞洞体为水平设置的环形人工气流管道；所述回流式低速风洞洞体安装在所述风洞支撑装置上，风洞支撑装置用于改变所述回流式低速风洞轴线平面与水平方向倾角，多功能环境模拟装置模拟环境，本实用新型提供一种用于鸟类或昆虫等飞行生物迁徙性能研究的风洞实验装置，对飞行生物在风洞人工气流中开展气动力、非接触式流场定量测量以及能量消耗等特性参数测试；本实用新型装置占地面积小、操作简单、科学便利、针对性强、气流湍流度低、可精确调节实验段流速、雨量及光强等境模拟条件。

Description

一种小型鸟类或昆虫迁徙习性研究的风洞实验系统

技术领域

本实用新型涉及一种小型鸟类或昆虫迁徙习性研究的风洞实验系统。

背景技术

鸟类或昆虫迁徙性能对研究飞行生物的形态学和新陈代谢等具有重要意义，同时如何选择最优飞行方案和策略对仿生微型飞行器的设计也有很强的指导和启发作用；目前科学家通常在自然条件下利用放置在飞行生物体上的传感器等仪器对相关性能进行观测和分析，虽然有力的推动了相关方向的研究，但存在诸如不可重复性测量、在特定自然条件下长时间测量以及无法在飞行生物体上安置大型测量仪器等不足。

风洞即风洞实验室，利用相对运动原理，将飞行生物系留或自由悬停在可以产生可控来流风速的实验段内，进而使用高速相机记录器详细飞行姿态变化，使用粒子图像测速技术进行流场参数测量，从而得到飞行气动力以及能耗等相关飞行性能参数，进一步用来分析飞行生物的迁徙习性；风洞气流容易控制和操纵，可进行反复吹风重复实验，“相对静止”飞行利于使用测量设备进行数据采集，同时还可任意改变稳定段内的湿度、光照等外界自然环境条件研究相应的影响规律，开展迁徙飞行过程中产生的能量消耗，蛋白质周转，水平衡等特性变化。

总的来说，风洞作为鸟类或昆虫迁徙习性研究的实验装置，具有以下优点：(1)气流便于控制和操纵，飞行生物相对静止便于开展精细测量；(2)可开展重复实验；(3)实验成本相较野外测量要低，不受自然环境影响；(4)方便在室内人工饲养飞行生物。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种风洞实验系统，该风洞实验系统为小型鸟类或昆虫等飞行生物迁徙飞行性能研究提供了人工气流以及多种不同自然条件的环境，气流角可随飞行生物实际飞行攻角进行调整，针对性强、应用范围广、操作简便，适用于不同条件的环境模拟测试。

凡是能在本实用新型实验段飞行的鸟类或昆虫，都属于本实用新型所述的“小型”，例如，可将实验段尺寸设置为0.5m×0.5m×1.8m。

为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：一种小型鸟类或昆虫迁徙习性研究的风洞实验系统，所述风洞实验系统包括回流式低速风洞洞体、风洞支撑装置、多功能环境模拟装置、性能参数测量装置，所述回流式低速风洞洞体为水平设置的环形人工气流管道，包括依次首尾连接的稳定段、收缩段、实验段、第一扩散段、第一拐角、第二扩散段、第二拐角、转接段、动力段、第三扩散段、第三拐角、流通段、第四拐角；所述回流式低速风洞洞体安装在所述风洞支撑装置上，风洞支撑装置用于改变所述回流式低速风洞轴线平面与水平方向倾角，由底座和倾转平台组成；所述倾转平台中部铰接于底座，倾转平台的一端与液压升降装置相连；倾转平台上固定角度仪器；

所述多功能环境模拟装置位于所述实验段处，至少包括淋雨模拟装置、可调光强照射装置和喂食装置中的一种，所述淋雨模拟装置模拟产生不同雨量，所述可调光强照射装置模拟产生不同光强；所述喂食装置为飞行生物注射喂食；

所述回流式低速风洞中的均匀人工气流通过设置在动力段内的风机产生；所述稳定段内设有蜂窝器和阻尼网，所述第一拐角、第二拐角、第三拐角、第四拐角内均有一组导流片；

性能参数测量装置由高速相机图像采集系统、粒子图像测速系统(PIV)组成；高速相机图像采集系统包括位于实验段中，且位于不同位置的两台高速摄像机，拍摄两个不同角度的飞行姿态视频；粒子图像测速系统用于获得实验段的速度场分布。

进一步地，淋雨装置包括依次连接的水箱、水泵、摆管和喷头；

进一步地，可调光强照射装置为固态光源LED灯；

进一步地，喂食装置由喂食探管和食料加注器组成；

进一步地，所述风机包括变频电机和风扇；

进一步地，稳定段出口处和实验段进口处分别设置总压管和静压管，与气压表连接分别测得气流总压和静压。

进一步地，粒子图像测速系统的示踪粒子布撒装置的布撒出口位于稳定段，均匀布撒示踪粒子；粒子图像测速系统的激光器产生片光源，该片光源垂直于实验段风洞轴线，并在实验段沿风洞轴线平移；跨帧相机与片光源同步移动，记录跨帧图像。

由于采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本实用新型为一种风洞实验系统，该风洞实验系统为小型鸟类或昆虫等飞行生物迁徙飞行性能研究提供了人工气流以及多种不同自然条件的环境，气流角可随飞行生物实际飞行攻角进行调整，针对性强、应用范围广、操作简便，适用于不同条件的环境模拟测试；

(2)回流式低速风洞装置的气流速度和湍流度可调节，满足各种飞行生物的飞行速度模拟要求；风洞可连续开启，满足长途迁徙时间模拟要求；调节倾转平台，可实时改变风洞轴线与水平方向倾角，从而模拟不同攻角气流环境条件；且能满足飞行生物爬升或俯冲过程中性能参数的测量模拟要求；

(3)通过调节多功能环境模拟装置的参数设置，能够模拟产生不同雨量和不同光强的自然环境；通过喂食系统可为持续飞行的飞行生物喂食，开展新城代谢以及能量转化等特性的研究；

(4)通过性能参数测量系统的设置，利用粒子图像测速系统开展飞行生物气动力及能量转化测量，利用高速相机系统开展飞行生物姿态变化测量研究；两者相结合可以开展飞行生物飞行特性、新陈代谢等迁徙习性的研究，推进对飞行生物的生态学和飞行生物高升力飞行机制的探索认知，工程上还可为新型飞行器的研发提供新思路。

附图说明

图1为回流式低速风洞俯视图；

图2为回流式低速风洞侧视图；

图3为多功能环境模拟装置示意图；

图4为性能参数测量系统示意图；

图中：1-回流式低速风洞洞体；2-蜂窝器；3-阻尼网；4-稳定段；5-收缩段；6-固态光源LED灯；7-淋雨模拟装置；8-实验段；9-第一扩散段；10-第一拐角；11-第一导流片；12-第二扩散段；13-第二拐角；14-第二导流片；15-转接段；16-动力段；17-电机罩；18-第三扩散段；19-第三拐角；20-第三导流片；21-流通段；22-第四拐角；23—第四导流片；24-倾转平台支撑；25-倾转平台；26-角度器；27-倾转驱动电机；28-总压管；29-静压管；30-喂食探管；31-水箱；32-水泵；33-摆管；34-喷头；35-高速相机；36-激光器；37-跨帧相机；38-数据采集及控制系统；39-示踪粒子布撒装置。

具体实施方式

一种产生人工气流的风洞实验设备，包括回流式低速风洞洞体1，回流式低速风洞洞体1为水平设置的环形人工气流管道，包括依次首尾连接的蜂窝器2、阻尼网3、稳定段4、收缩段5、实验段8、第一扩散段9、第一拐角10、第二扩散段12、第二拐角13、转接段15、动力段16、第三扩散段18、第三拐角19、流通段21、第四拐角22，洞体整体支撑在风洞支撑装置上；

风洞洞体1内的人工气流由动力段16中的风机(变频电机驱动风扇)产生，气流经过第三扩散段18，第三拐角19，流通段21，第一拐角后22进入稳定段4，经过收缩段5后气流加速到设定风速进入实验段8，实验段8内气流均匀，飞行生物置于实验段8内，而后气流减速增压经过第一扩散段9，第一拐角10，第二扩散段12，第二拐角13，转接段15、进入动力段16后气流由风机带动总压增加，之后气流进入稳定段4，通过设置的蜂窝网和阻尼网，可以对气流重新整流；风洞洞体四个拐角处设置有导流片11、14、20、23，便于气流更好地通过，减少气流在风洞内流动时的能量损失，满足各种不同条件的测试需求；

多功能环境模拟装置设置在实验段处，由淋雨模拟装置7、可调光强照射装置和喂食装置组成，淋雨模拟装置产生压强100-150kpa，流量100±1L/min，最大持续时间1000min的降雨量，模拟产生不同雨量的自然环境，雨量范围在0—10mm/h；可调光强照射装置选用300W硅胶封装固态光源LED灯6，模拟产生不同光强的自然环境，光强范围0—500lx；喂食装置由喂食探管30和食料加注器组成，用于在长距离(长时间)迁徙飞行模拟实验中持续为飞行生物注射喂食，不同飞行生物选用相应的食料类型；

性能参数测量装置由高速相机图像采集系统、粒子图像测速系统(PIV)组成，高速相机图像采集系统包括位于实验段8中，且位于不同位置的两台高速摄像机35，拍摄两个不同角度的飞行姿态视频。这些飞行姿态视频可用于进一步的科学研究，例如，将采集的视频通过处理器的视频处理软件合成后得到飞行生物翅膀及身体的运动姿态变化规律；

粒子图像测速系统用于获得实验段的速度场分布，一般包括激光器36、跨帧相机37、示踪粒子布撒系统39，示踪粒子布撒装置39的布撒出口位于稳定段4，均匀布撒示踪粒子；激光器36产生波长为532nm的片光源，该片光源垂直于实验段8风洞轴线，并片光源在实验段8沿风洞轴线移动；跨帧相机37与片光源同步移动，并记录跨帧图像；图中，采用控制系统38实现跨帧相机37与片光源同步触发，并处理得到速度场分布；

这里的速度场分分布结合上述运动姿态变化规律，可以用于进一步分析得到飞行过程飞行生物个体受到的气动力以及能量耗散结果；

该风洞系统的具体工作过程：

开启装置；动力段16中的风机启动，通过风扇增压，气流开始流动(调节变频电机频率可以改变风扇转速，从而调节气流流速)，经第三扩散段18进入第三拐角19，在第三导流片20的定向作用下，实现风向首次折转，进而通过流通段21进入第一拐角22，在第一导流片23的定向作用下，进入稳定段4，历经蜂窝器2、阻尼网3、稳定段4，以及收缩段5的调整后，在实验段8内将获得均匀的湍流度较低的气流；飞行生物相对静止置于实验段8内，可系留或杆撑或自由飞行，此后气流沿第一扩散段9，经过第二拐角10、第二扩散段12和第四拐角13后，返回动力段16；稳定段4出口处和实验段8进口处分别设置由总压管28和静压管29，与气压表连接分别测得气流总压和静压，进而测得实验段气流流速；

所述风洞洞体1安装在风洞支撑装置上，风洞支撑装置用于改变风洞轴线平面与水平方向倾角，由底座和倾转平台组成；所述倾转平台中部铰接于底座，倾转平台的一端与液压升降装置相连；倾转平台上固定角度仪器；调节倾转平台，可实时改变风洞轴线与水平方向倾角，从而模拟不同攻角气流环境条件；倾角变化范围-8°—8°，角度调整速度为30°/min，满足飞行生物爬升或俯冲过程中性能参数的测量模拟要求；倾转平台的倾转角度由角度器26读取；

实验段处多功能模拟装置包括固态光源LED灯6和淋雨模拟装置7，如图2所示；喂食探管30位于实验段处，用于给飞行生物注射流食；开启淋雨装置，淋雨装置产生压强100-150kpa，最大流量可达100±1L/min，最大持续时间1000min的降雨量，模拟雨水由水泵32从水箱31中抽出，经过摆管33由喷头34喷洒出，改变水泵电流调节喷水量，雨量范围在0—10mm/h；开启固态光源LED灯6，调节不同光照强度，模拟自然光照射环境，光强调节范围为0—500lx；

开启性能参数测量系统；先开启高速相机35，采集频率最高为1000Hz，对焦后采集拍摄飞行生物的飞行视频；进一步开展粒子图像测速实验；开启激光器36，调节跨帧相机37；运行控制系统38，然后开启示踪粒子布撒装置39，对待测空间流场速度分布进行测量，进一步得到速度场分布。当需要模拟不同攻角气流环境条件时，调节液压升降装置，使得倾转平台倾斜一定角度即可。

Claims (7)

1.一种小型鸟类或昆虫迁徙习性研究的风洞实验系统，其特征在于：所述风洞实验系统包括回流式低速风洞洞体（1）、风洞支撑装置、多功能环境模拟装置、性能参数测量装置，所述回流式低速风洞洞体（1）为水平设置的环形人工气流管道，包括依次首尾连接的稳定段（4）、收缩段（5）、实验段（8）、第一扩散段（9）、第一拐角（10）、第二扩散段（12）、第二拐角（13）、转接段（15）、动力段（16）、第三扩散段（18）、第三拐角（19）、流通段（21）、第四拐角（22）；所述回流式低速风洞洞体（1）安装在所述风洞支撑装置上，风洞支撑装置用于改变所述回流式低速风洞轴线平面与水平方向倾角，由底座和倾转平台组成；所述倾转平台中部铰接于底座，倾转平台的一端与液压升降装置相连；倾转平台上固定角度仪器；

所述多功能环境模拟装置位于所述实验段处，至少包括淋雨模拟装置、可调光强照射装置和喂食装置中的一种，所述淋雨模拟装置模拟产生不同雨量，所述可调光强照射装置模拟产生不同光强；所述喂食装置为飞行生物注射喂食；

所述回流式低速风洞中的均匀人工气流通过设置在动力段（16）内的风机产生；所述稳定段（4）内设有蜂窝器（2）和阻尼网（3），所述第一拐角、第二拐角、第三拐角、第四拐角内均有一组导流片；

性能参数测量装置由高速相机图像采集系统、粒子图像测速系统组成；高速相机图像采集系统包括位于实验段（8）中，且位于不同位置的两台高速摄像机（35），拍摄两个不同角度的飞行姿态视频；粒子图像测速系统用于获得实验段的速度场分布。

2.根据权利要求1所述的风洞实验系统，其特征在于，淋雨装置包括依次连接的水箱（31）、水泵（32）、摆管（33）和喷头（34）。

3.根据权利要求1所述的风洞实验系统，其特征在于，可调光强照射装置为固态光源LED灯（6）。

4.根据权利要求1所述的风洞实验系统，其特征在于，喂食装置由喂食探管（30）和食料加注器组成。

5.根据权利要求1所述的风洞实验系统，其特征在于，所述风机包括变频电机和风扇。

6.根据权利要求1所述的风洞实验系统，其特征在于，稳定段（4）出口处和实验段（8）进口处分别设置总压管（28）和静压管（29），与气压表连接分别测得气流总压和静压。

7.根据权利要求1所述的风洞实验系统，其特征在于，粒子图像测速系统的示踪粒子布撒装置（39）的布撒出口位于稳定段（4），均匀布撒示踪粒子；粒子图像测速系统的激光器（36）产生片光源，该片光源垂直于实验段（8）风洞轴线，并在实验段（8）沿风洞轴线平移；跨帧相机（37）与片光源同步移动，记录跨帧图像。