CN216309381U - 一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置，针对目前大气边界层风洞模拟装置存在的湍流积分尺度模拟能力不足等问题，本实用新型在微观上提出变尺寸锯齿边缘的格栅翼外形设计方案，可以有效扩展大气边界层湍流积分尺度的模拟范围。此外，变尺寸锯齿边缘格栅翼可同时产生不同积分尺度湍流结构，有助于快速达到湍流充分发展状态。
Description
技术领域
本实用新型属于风洞试验技术领域，具体涉及一种模拟大气边界层流动特征的风洞试验装置。
背景技术
大气边界层环境与人类生活息息相关，气象、烟尘扩散、化工污染等流动过程，建筑、桥梁、风电机组等生活或工业应用设施的服役状态都会受到大气边界层的影响。因此，研究大气边界层本身的流动形态及其对自然风环境下各种风工程问题的影响规律具有重要的科学和工程意义。
目前，开展大气边界层相关研究主要采用风洞模拟的方法，极少数工作采用外场测量的方式。在风洞中模拟大气边界层分为自然形成法和人工形成法，其中自然形成法需要较长的试验段，一般难以实现且成本高昂；人工形成法需添加一定的人工湍流发生装置，从而缩短湍流发展距离，而根据人工湍流装置是否可主动控制，人工形成法又可以分为被动方法和主动方法。被动方法包括尖劈粗糙元、静态格栅、变间距平板、引流等等，主动方法包括振动尖劈、调速风扇阵列、动态格栅等等。
动态格栅技术作为一种主动方法，一般利用多台电机分别驱动多组格栅转动，通过调控每组格栅角度、角速度等参数组合实现多种大气边界层状态的模拟，相比被动方法具有显著的性能优势，同时相比调速风扇具有价格低、频响高的优点，因此该技术常被应用在大气环境风洞中。
尽管动态格栅技术通过改变控制参数可改变所模拟的大气边界层状态，但其调控能力有限。目前，已公开的动态格栅方法往往采用正菱形格栅翼，如中国实用新型专利申请CN202110316825.4(一种用于风洞实验的格栅装罝及其调控方法)，需要结合不同旋转速度才能产生不同的积分尺度，而且这些不同的积分尺度湍流结构按照时间先后生成发展，需要较长的空间和时间才能达到充分发展。
实用新型内容
为解决现有大气边界层风洞模拟装置存在湍流积分尺度模拟能力不足等问题，本实用新型提出了一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置，从格栅翼外形这一角度扩展风洞模拟大气边界层的能力范围。
本实用新型为解决其技术问题具体所采取的技术方案为：
一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置，包括风洞、格栅支撑框体、纵向格栅轴、横向格栅轴、格栅翼，所述格栅支撑框体设置在风洞入口处，各所述纵向格栅轴、横向格栅轴分别沿横向、纵向布置在所述格栅支撑框体上，每一所述纵向格栅轴、横向格栅轴均设置有多个所述格栅翼，每一所述纵向格栅轴、横向格栅轴均与动力源传动连接，其特征在于，
所述格栅翼的外形轮廓呈菱形片状结构体，并沿其两个对角线中的一个固定在对应的格栅轴上，且所述菱形片状结构体的四个边缘中的每一个边缘均形成为锯齿形边缘，且每一所述锯齿形边缘中的锯齿宽度各不相同。
优选地，每一所述锯齿形边缘中的锯齿采用二分法设计，使得锯齿宽度各不相同并逐渐变化。
优选地，所述菱形片状结构体为正菱形结构，所述横向格栅轴与纵向格栅轴的数量相同。
优选地，所述菱形片状结构体为非正菱形结构，所述横向格栅轴与纵向格栅轴的数量不同。格栅翼设计为非正菱形，从而横向格栅轴和纵向格栅轴的数量可以不同，以适应不同的风洞截面尺寸，或减少电机数量以降低成本。
优选地，每一所述纵向格栅轴、横向格栅轴的位于所述格栅支撑框体内的两端分别设置一格栅边翼，每一所述格栅边翼为格栅翼的一半。以所述格栅翼的两个对角线中的另一个对角线作为分割线进行分割即得两个格栅边翼，每一所述格栅边翼在所述纵向格栅轴、横向格栅轴上的固定位置与各所述格栅翼保持一致。所述格栅边翼用于将格栅组的整体外形过渡到风洞内表面轮廓。
本实用新型的模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置中，所述格栅支撑框体内表面尺寸与风洞内表面一致，在与风洞洞体接触的前后面覆盖有密封橡胶，安装后应保证格栅支撑框体密封。
优选地，每一所述纵向格栅轴、横向格栅轴均通过其两端的密封轴承组转动支撑在所述格栅支撑框体上。
优选地，所述格栅支撑框体外还设置有纵向电机支撑架、横向电机支撑架，所述纵向电机支撑架、横向电机支撑架分别用于安装驱动所述纵向格栅轴、横向格栅轴的纵向电机、横向电机。
进一步地，纵向电机可以分两组分别布置在格栅支撑框体的上下侧，横向电机可以分两组分别布置在格栅支撑框体的左右侧，使试验装置整体重心位于装置中心，提高结构稳定性。
本实用新型的模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置中，所述纵向格栅翼通过转速控制产生湍流扰动，纵向格栅轴的数量不少于10组时，可以获得较为均匀的湍流场。所述横向格栅翼通过静态调整俯仰角可以产生不同阻塞度和风速，从而通过调整多组横向格栅翼的俯仰角分布可以形成不同的风速分布类型，用于模拟大气边界层的风剪切指数。
在以上由格栅翼组成的风洞试验装置基础上，可进行大气边界层模拟，包括平均风速、风剪切、湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率谱的同时或单独模拟。
通过以上技术方案可以看出，本实用新型提出的模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置，在微观上提出变尺寸锯齿边缘的格栅翼外形设计方案，可以有效扩展大气边界层湍流积分尺度的模拟范围。此外，传统通过格栅翼转速变化得到的不同积分尺度湍流结构是先后不同时刻生成的，而本实用新型采用菱形锯齿边缘格栅翼得到的不同积分尺度湍流结构是同时生成的，这些同时生成的湍流结构在向下游发展过程中更容易相互掺混和能量传递，因此需要较少的空间和时间可达到均匀的湍流充分发展状态。
附图说明
图1为本实用新型实施例所提供的一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置正视图；
图2为本实用新型实施例所提供的纵向格栅翼为正菱形的外形图；
图3为本实用新型实施例所提供的横向格栅翼为正菱形的外形图；
图4为本实用新型实施例所提供的纵向格栅翼为非正菱形的外形图；
图5为本实用新型实施例所提供的横向格栅翼为非正菱形的外形图。
其中附图标记含义如下：
1格栅支撑框体，2纵向电机支撑架，3纵向电机，4纵向联轴器，5纵向格栅轴，6纵向密封轴承组，7纵向格栅边翼，8纵向格栅翼，9横向格栅翼，10横向格栅边翼，11横向密封轴承组，12横向联轴器，13横向格栅轴，14横向电机，15横向电机支撑架。
具体实施方式
为使本实用新型目的、技术方案更加清楚明白，以具体实施案例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置，如图1 所示，由格栅支撑框体1、纵向电机支撑架2、纵向电机3、纵向联轴器4、纵向格栅轴5、纵向密封轴承组6、纵向格栅边翼7、纵向格栅翼8、横向格栅翼9、横向格栅边翼10、横向密封轴承组11、横向联轴器12、横向格栅轴13、横向电机14、横向电机支撑架15组成。
格栅支撑框体1内表面尺寸与风洞内表面一致，在与风洞洞体接触的前后面覆盖有密封橡胶，安装后应保证格栅支撑框体1密封。
格栅支撑框体1用于安装纵向电机支撑架2、纵向密封轴承组6、横向电机支撑架15、横向密封轴承组11。
纵向电机支撑架2和横向电机支撑架15，分别用于安装纵向电机3和横向电机14。
纵向密封轴承组6和横向密封轴承组11，分别用于安装纵向格栅轴5和横向格栅轴13，每个格栅轴5、13由安装于格栅支撑框体1两端的两个密封轴承组6、11支撑。
纵向格栅轴5用于安装纵向格栅翼8、纵向格栅边翼7，横向格栅轴13用于安装横向格栅翼9、横向格栅边翼10。
纵向格栅翼8通过转速控制产生湍流扰动，纵向格栅轴的数量为10组，以获得较为均匀的湍流场。
横向格栅翼9通过静态调整俯仰角可以产生不同阻塞度和风速，从而通过调整多组横向格栅翼9的俯仰角分布可以形成不同的风速分布类型，用于模拟大气边界层的风剪切指数。
纵向格栅边翼7和横向格栅边翼10用于将格栅组的整体外形过渡到风洞内表面轮廓。
纵向格栅翼8和横向格栅翼9的外形轮廓基本呈菱形片状结构体，并沿其两个对角线中的一个固定在对应的格栅轴上，且菱形片状结构体的四个边缘中的每一个边缘均形成为锯齿形边缘，且每一锯齿形边缘中的锯齿宽度分布呈逐渐变化各不相同的分布形式，以同时产生不同积分尺度的湍流结构。具体而言，纵向格栅翼8和横向格栅翼9外形可以为菱形锯齿边缘，如图2、3所示，锯齿宽度采用二分法设计，各不相同，从而可以同时产生不同积分尺度的湍流结构。
纵向电机3分两组分别布置在格栅支撑框体1的上下侧，横向电机14分两组分别布置在格栅支撑框体1的左右侧，使试验装置整体重心位于装置中心，提高结构稳定性。
格栅翼8、9的另一个实施例也可以设计为非正菱形，如图4、5所示，从而横向格栅轴13和纵向格栅轴5的数量可以不同，以适应不同的风洞截面尺寸，或减少电机数量以降低成本。
在以上由格栅翼组成的风洞试验装置基础上，可进行大气边界层模拟，包括平均风速、风剪切、湍流强度、湍流积分尺度、湍流功率谱的同时或单独模拟。
以上所述仅为本实用新型的一个实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的思路和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
Claims (8)
1.一种模拟大气边界层多尺度湍流结构的风洞试验装置，包括风洞、格栅支撑框体、纵向格栅轴、横向格栅轴、格栅翼，所述格栅支撑框体设置在风洞入口处，各所述纵向格栅轴、横向格栅轴分别沿横向、纵向布置在所述格栅支撑框体上，每一所述纵向格栅轴、横向格栅轴均设置有多个所述格栅翼，每一所述纵向格栅轴、横向格栅轴均与动力源传动连接，其特征在于，
所述格栅翼的外形轮廓呈菱形片状结构体，并沿其两个对角线中的一个固定在对应的格栅轴上，且所述菱形片状结构体的四个边缘中的每一个边缘均形成为锯齿形边缘，且每一所述锯齿形边缘中的锯齿宽度各不相同。
2.根据权利要求1所述的风洞试验装置，其特征在于，每一所述锯齿形边缘中的锯齿采用二分法设计。
3.根据权利要求1所述的风洞试验装置，其特征在于，所述菱形片状结构体为正菱形结构，所述横向格栅轴与纵向格栅轴的数量相同。
4.根据权利要求1所述的风洞试验装置，其特征在于，所述菱形片状结构体为非正菱形结构，所述横向格栅轴与纵向格栅轴的数量不同。
5.根据权利要求1所述的风洞试验装置，其特征在于，每一所述纵向格栅轴、横向格栅轴的位于所述格栅支撑框体内的两端分别设置一格栅边翼，每一所述格栅边翼为格栅翼的一半。
6.根据权利要求1所述的风洞试验装置，其特征在于，每一所述纵向格栅轴、横向格栅轴均通过其两端的密封轴承组转动支撑在所述格栅支撑框体上。
7.根据权利要求1所述的风洞试验装置，其特征在于，所述格栅支撑框体外还设置有纵向电机支撑架、横向电机支撑架，所述纵向电机支撑架、横向电机支撑架分别用于安装驱动所述纵向格栅轴、横向格栅轴的纵向电机、横向电机。
8.根据权利要求7所述的风洞试验装置，其特征在于，所述纵向电机分两组分别布置在所述格栅支撑框体的上下侧，所述横向电机分两组分别布置在所述格栅支撑框体的左右侧。
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