CN109916587A - 一种双试验段直流阵风风洞 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双试验段直流阵风风洞，包括出口段、动力段、扩散段、第一试验段、收缩段和稳定段；所述动力段一端连接与外界相通的出口段，动力段另一端连接着扩散段；第一试验段一端与扩散段连接，另一端与收缩段连接；收缩段一侧连接着稳定段，扩散段上设置有第一调流段，出口段与动力段之间还设置有第二试验段，动力段与第二试验段之间设置有回流段，回流段两端设置有第二调流段，回流段的侧壁上设置有开合门。能够两个试验段可以同时进行试验的效果，而且也可以根据实际需要关闭第二试验段。
Description
技术领域
本发明涉及一种阵性风风洞实验装置，更具体地说，它涉及一种双试验段直流阵风风洞。
背景技术
风洞简单地说就是一根经过特殊设计的长形管道，由动力***(电动机和风扇)在其内部产生一股可以人为自由控制的气流，用它来模拟物体在空气中运动时空气的流动现象、物体受力的情况、空气绕某些固定物体的绕流现象以及烟气在空气中的迁移、扩散现象等”。
边界层风洞，在风工程领域的研究中起着越来越重要的作用。边界层风洞具有模拟大气边界层流动的能力，能为研究大气污染物的扩散规律以及大跨度桥、高层建筑、塔等许多其他独特结构的安全设计研究提供技术支持。
然而，对于一些极端气象事件(诸如阵风锋、飓风等)非稳态气流占据主导作用时，普通边界层风洞缺少模拟这些事件瞬变效应的能力。因此，需要一种能产生阵性风效果的边界层风洞。
大气中的湍流，一般来说湍流尺度越大，那么湍流的频率就越低；尺度越大的障碍物产生的湍流尺度越大。常规大气边界层风洞通过尖劈和粗糙元产生的湍流，尖劈和粗糙元的尺度一般在0.1m左右，所以产生的湍流频率比较高。而实际大气中因为有高楼大厦、山坡、树林等尺度较大的障碍物的存在，所以湍流中低频部分的能量不容忽视，所以有必要在风洞中产生尺度较大、频率较低的脉动风，这样才能够跟真实的大气更吻合，这就是我们阵风风洞的设计意义。
目前，能产生阵性风效果的大气边界层风洞一般是采用机械摆动机构或者调整风机转速来产生阵风。但是，以此种方式产生的阵风，其阵风频率较高。而大气边界层中的随机阵风速度产生大小变化有高有低，因此，目前的阵风风洞无法完全模拟出大气边界层中的随机阵风。
按照气流的流动方向可以分为吹出式风洞和吸入式风洞:吹出式风洞是以风机吹出的气流作为风洞的流动介质；而吸入式风洞则是通过风叶机片旋转形成的低压区，将空气吸入形成气流。两种类型的风洞应用范围都很广，但具体应用领域又有所不同。
实际环境中产生高污染的前提是环境风速接近于静止或者很低的气象条件，因为只有在这种环境中，排放的污染物不能被扩散开，导致局部地区的重污染。因此需使用直流吸式风洞模拟出风速接近于零并且风环境稳定的气象条件。直流吹式不适合的主要原因在于其动力段位于试验段上游，风机风扇在低速转动时多叶片间的空隙较大会产生固定频率的阵性效果，同时风在通过动力段向下扩散时会产生多方向的乱流导致风环境不稳定。回流式风洞由于其闭口回流的特性导致在进行污染物实验时，污染源释放后无法排放到实验环境外，使得试验段的本底污染浓度不断叠加增高，阻碍了实验的测量。而对于沙尘等物质传输实验时，需选择直流吹式风洞，而使用直流吸式和回流式会使砂砾被气流带入动力段损坏风机。
国外个别闭路、开路两用风洞，结构比较复杂，操作十分困难，且无法产生阵性效果，无法用于大型工程应用类风洞中。一般一个风洞只能用于一种试验，风洞造价昂贵不说，且效率不高，本发明提供一种双试验阵风风洞装置，可以一个风洞里进行两个试验，极大的节约了成本，提高了效率。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种双试验段直流阵风风洞，其具有模拟自然环境，产生频率有高有低的阵风。并且能够在一个风洞内部进行两种试验或根据试验要求切换单/双试验段的优势，同时也节省了建立风洞实验室的所占用的土地资源。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种双试验段直流阵风风洞，包括出口段、动力段、扩散段、第一试验段、收缩段和稳定段；所述动力段一端连接与外界相通的出口段，动力段另一端连接着扩散段；第一试验段一端与扩散段连接，另一端与收缩段连接；收缩段一侧连接着稳定段，扩散段上设置有第一调流段，出口段与动力段之间还设置有第二试验段。
进一步地，动力段与第二试验段之间设置有回流段，回流段两端设置有第二调流段，回流段的侧壁上设置有开合门。
进一步地，回流段分别与第二试验段和第一试验段垂直使风洞的主体管道呈U型，回流段两侧连接拐角处设置有导流片单元。
进一步地，靠近动力段一端的导流片单元为活动式，靠近第二试验段一端的导流片单元为固定式，活动式的导流片单元底部设置有线型滚动导轨副，导流片单元能够通过该线型滚动导轨副平移至回流段内部。
进一步地，开合门为活动式并且位于动力段在回流段上投影处，并能够绕轴转动实现开合使回流段能够连通或封闭；当开合门向内开合时，回流段处于封闭状态，第二试验段关闭；当开合门关闭时，回流段与动力段连通，第二试验段开启，气流能够从第一试验段经回流段流向第二试验段最终通过出口段排到外界。
进一步地，第二试验段与回流段之间设置有阻尼网和蜂窝器以及第二收缩段。
进一步地，动力段还设置有依次连接的后端风机罩、止旋片、风扇和前端风机罩，并且后端风机罩朝向出口段，前端风机罩朝向扩散段。
进一步地，第一调流段包括第一百叶装置和第一电动门，第一百叶装置设置在风洞外壁上，第一电动门位于第一百叶装置内侧，第一百叶装置上设置有多个叶片，气流能够从外界通过叶片之间的缝隙流入到扩散段中，第一电动门能够沿风洞内壁平移移动，调流段数量为多个，在扩散段的侧壁上对称设置。
进一步地，第二调流段包括第二百叶装置和第二电动门，第二百叶装置设置在风洞外壁上，第二电动门位于第二百叶装置内侧，第二百叶装置上设置有多个叶片，气流能够从外界通过叶片之间的缝隙流入到风洞管道中第二电动门(能够沿风洞内壁平移移动，所述调流段数量为多个，在回流段两端部的侧壁上对称设置。
进一步地，稳定段的内部连接着两道阻尼网，阻尼网的一侧与蜂窝器相连，蜂窝器与外界连通。
通过上述技术方案，当开合门关闭时风由稳定段进入收缩段经过第一试验段、扩散段和动力段后经回流段回流及第二收缩段后，至第二试验段、最终通过出口段排出。第二试验段经第二收缩段收缩后横截面积为第一试验段的三分之二，风速较第一试验段又有所提升，可以满足小尺度模型更高风速试验的要求，此时试验段一与试验段二均可进行实验。其中第一试验段在动力段上游为吸式，第二实验段通过回流段与动力段下游连接为吹式。吸式第一试验段可进行建筑结构风振风压试验。吹式第二试验段可进行粉尘等颗粒类污染物扩散试验。因其测量仪器不同，不会对相互试验产生干扰，因此，两个试验段可以同时进行试验。
当活动式的导流片单元向回流段内移动后，开合门向内打开时，回流段封闭，此时风洞为单试验段直流吸式风洞。风由入口稳定段进入收缩段，经过第一试验段、扩散段和动力段后经开合门的门洞直接向外界排出，不会对进气口空气造成气体污染物浓度叠加影响，此时第一试验段可进行气体污染物扩散试验，而第二试验段停用。
其中稳定段是使气流保持均匀稳定的等直径管道，稳定段内还安装了蜂窝器、阻尼网等整流设备。其中阻尼网是使进口气流均匀、稳定，蜂窝器在于对气流进行梳直导向。稳定段另一侧连接有使气流均匀加速的收缩段，气流沿收缩段流动时，洞壁上不出现分离。
试验时，气流从进气口流入，通过蜂窝器使气流变得较为均匀，然后通过收缩段将气流速度提高，之后进入第一试验段，当气流通过试验段后经扩散段到达出口段，最后由出口段流进入大气中。
当开合门关闭时，风洞为双试验段直流风洞，第一试验段为直流吸式试验段，第二试验段为直流吹式试验段，双试验段同时运行。此时打开第一电动门使得部分气流从外界由百叶装置处被吸入风洞后通过动力段吹向第二试验段，从而使主通道第一试验段处的风速降低。同时控制第一调流段中第一百叶装置的叶片的开合，可以改变外界被吸入进风洞的气流量，使得第一试验段风速产生高低变化，从而形成阵风。通过控制第一百叶装置叶片的开合频率，可以改变第一试验段阵风变化的速度。同理，打开第二电动门后，可使得气流从第二试验段吹向出口时，部分气流通过第二调流段的第二百叶装置处排放到风洞外，使得到达第二试验段的风速产生高低变化从而在第二试验段产生阵风。通过控制第二百叶装置叶片的开合频率，可以改变第二试验段阵风变化的速度。
当靠近动力段处导流片单元移至回流段内开合门向内90度打开时，风洞由双试验段改变成单试验段，此时该风洞为直流吸式风洞，此时打开第一调流段两侧电动门，使得部分气流可从外界由第一百叶装置处被吸入风洞后通过动力段吹向开口，从而使主通道第一试验段处的风速降低。同时控制第一调流段百叶装置叶片的开合，可以改变外界被吸入进风洞的气流量，使得第一试验段风速产生高低变化，从而形成阵风。通过控制百叶装置叶片的开合频率，可以改变第一试验段阵风变化的速度。
上述可在单试验段和双试验段之间简单切换的风洞是为迎合不同环境污染试验的需求。直流吹式不适合进行污染扩散试验的主要原因在于其动力段位于试验段上游，风机风扇在低速转动时多叶片间的空隙较大会产生固定频率的阵性效果，同时风在通过动力段向下扩散时会产生多方向的乱流导致风环境不稳定。回流式风洞由于其闭口回流的特性导致在进行污染物实验时，污染源释放后无法排放到实验环境外，使得试验段的本底污染浓度不断叠加增高，阻碍了实验的测量。之所以选择U型作为结构的原因是因为节省占地长度面积。尽量提高实验室空间利用率。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、结构简单建设费用相对较低；
2、可在大型风洞中实现对大气边界层中不同风工程项目(如风压风振、风环境、空气污染、物质传输等)的模拟，而不必担心示踪剂的累积效应造成的本底浓度升高，而影响模拟实验的准确性，以及起尘实验时细小颗粒对动力段的损害，有益于实际工程应用；
3、大多数风洞，气流速度都是通过调节风扇的转数改变的，这使试验段速度的改变比较慢。然而本发明通过调节调流段中的百叶装置叶片的开合，几乎瞬间改变试验段中气流速度形成风速大小变化的阵风，能够更准确地模拟出实际大气边界层中自然风，这种类型的非稳恒的流动模拟非常重要，它开辟了新领域，为非稳恒流动空气动力学的研究提供了试验机会；
4、能够选择单个或者同时或者进行两种试验，更加经济和快捷并且效率更高。同时节省占地面积，并且提高了实验室空间利用率。
附图说明
图1为双试验段直流阵风风洞的结构示意图；
图2为开合门开启时双试验段直流阵风风洞的状态示意图；
图3为第一电动门开启时的结构示意图；
图4为第一电动门关闭时的结构示意图；
图5为第二电动门关闭时的结构示意图；
图6为第二电动门开启时的结构示意图。
图中：101、稳定段；102、收缩段；103、第一试验段；104、第一调流段；105、扩散段；106、动力段；107、出口段；109、风扇；110、前端机罩子；111、后端机罩子；112、止旋片；113、第一百叶装置；114、第一电动门；116、蜂窝器；117、阻尼网；302、第二试验段；315、第二电动门；316、第二百叶装置；330、开合门；331、第二调流段；332、导流片单元；334、回流段。
具体实施方式
参照图1-6所示，一种双试验段直流阵风风洞，包括出口段107、动力段106、扩散段105、第一试验段103、收缩段102和稳定段101；所述动力段106一端连接与外界相通的出口段107，动力段106另一端连接着扩散段105；第一试验段103一端与扩散段105连接，另一端与收缩段102连接；收缩段102一侧连接着稳定段101，其特征在于：扩散段105上设置有第一调流段104，出口段107与动力段106之间还设置有第二试验段302。动力段106与第二试验段302之间设置有回流段334，回流段334两端设置有第二调流段331，回流段334的侧壁上设置有开合门330。回流段334分别与第二试验段302和第一试验段103垂直使风洞的主体管道呈U型，回流段334两侧连接拐角处设置有导流片单元332。靠近动力段106一端的导流片单元332为活动式，靠近第二试验段302一端的导流片单元332为固定式，活动式的导流片单元332底部设置有线型滚动导轨副，导流片单元332能够通过该线型滚动导轨副平移至回流段334内部。开合门330为活动式并且位于动力段106在回流段334上投影处，并能够绕轴转动实现开合使回流段334能够连通或封闭；当开合门330向内开合时，回流段334处于封闭状态，第二试验段302关闭；当开合门330关闭时，回流段334与动力段106连通，第二试验段302开启，气流能够从第一试验段103经回流段334流向第二试验段302最终通过出口段107排到外界。
第二试验段302与回流段334之间设置有阻尼网117和蜂窝器116以及第二收缩段。动力段106还设置有依次连接的后端风机罩111、止旋片112、风扇109和前端风机罩110，并且后端风机罩111朝向出口段107，前端风机罩朝向扩散段105。第一调流段104包括第一百叶装置113和第一电动门114，第一百叶装置113设置在风洞外壁上，第一电动门114位于第一百叶装置113内侧，第一百叶装置113上设置有多个叶片，气流能够从外界通过叶片之间的缝隙流入到扩散段105中，第一电动门114能够沿风洞内壁平移移动，调流段104数量为多个，在扩散段105的侧壁上对称设置。
第二调流段331包括第二百叶装置316和第二电动门315，第二百叶装置316设置在风洞外壁上，第二电动门315位于第二百叶装置316内侧，第二百叶装置316上设置有多个叶片，气流能够从外界通过叶片之间的缝隙流入到风洞管道中第二电动门315能够沿风洞内壁平移移动，所述调流段104数量为多个，在回流段334两端部的侧壁上对称设置。稳定段101的内部连接着两道阻尼网117，阻尼网117的一侧与蜂窝器116相连，蜂窝器116与外界连通。
回流段334分别与第二试验段302、第一试验段103垂直；在拐角中，由于气流的转弯，出现了从曲率中心向管外壁的离心力，这就使得气流在转弯时，外壁的压力增高而内壁的压力降低。所以在外壁处的气流流速将减小，而在内壁处其流速将相应增大，因此在外壁附近出现扩散效应，而在靠近内壁处则出现收缩效应。气流在转弯后，又有相反的现象产生，即在内壁附近产生扩散效应，在外壁附近产生收缩效应。扩散效应导致气流脱离内外壁。因此气流在拐角很容易产生分离以及出现对流，为了防止气流分离，改善气流的流动和减少损失，在拐角处精心设计有拐角导流片单元332。回流段334两侧还设置有第二调流段331和开合门330。当开合门330关闭时(如图1所示)风洞内部构成单回路，气流从第一试验段103经回流段334流向第二试验段302，第二试验段302与回流段334之间还设置有阻尼网117，用于使气流变得均匀，最终气流从出口段107流出。此时为双试验段直流。通过控制第二调流段331中第二电动门315的开闭来控制流速。当导流片单元332平移至334内部，开合门330开启时(如图2所示)，开合门330与回流段334呈垂直状态，开合门330将第一试验段103和第二试验段302隔开，此时第一试验段103开启时，第二试验段302关闭，气流将直接从开合门330的门洞处流出，此时为单试验段直流。
第二调流段331的的工作原理为：参考图5，当有电机控制的第二电动门315关闭时，第二调流段331内部形成一个封闭区域，此时风洞内气流由第一试验段103经回流段334流向第二试验段302。当第二电动门315开启时，如图6所示，第二调流段331形成开路，部分气流可从第二百叶装置316流出。
Claims (10)
1.一种双试验段直流阵风风洞，包括出口段(107)、动力段(106)、扩散段(105)、第一试验段(103)、收缩段(102)和稳定段(101)；所述动力段(106)一端连接与外界相通的出口段(107)，动力段(106)另一端连接着扩散段(105)；第一试验段(103)一端与扩散段(105)连接，另一端与收缩段(102)连接；收缩段(102)一侧连接着稳定段(101)，其特征在于：扩散段(105)上设置有第一调流段(104)，出口段(107)与动力段(106)之间还设置有第二试验段(302)。
2.根据权利要求1所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：动力段(106)与第二试验段(302)之间设置有回流段(334)，回流段(334)两端设置有第二调流段(331)，回流段(334)的侧壁上设置有开合门(330)。
3.根据权利要求2所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：所述回流段(334)分别与第二试验段(302)和第一试验段(103)垂直使风洞的主体管道呈U型，回流段(334)两侧连接拐角处设置有导流片单元(332)。
4.根据权利要求3所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：靠近动力段(106)一端的导流片单元(332)为活动式，靠近第二试验段(302)一端的导流片单元(332)为固定式，活动式的导流片单元(332)底部设置有线型滚动导轨副，导流片单元(332)能够通过该线型滚动导轨副平移至回流段(334)内部。
5.根据权利要求4所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：所述开合门(330)为活动式并且位于动力段(106)在回流段(334)上投影处，并能够绕轴转动实现开合使回流段(334)能够连通或封闭；当开合门(330)向内开合时，回流段(334)处于封闭状态，第二试验段(302)关闭；当开合门(330)关闭时，回流段(334)与动力段(106)连通，第二试验段(302)开启，气流能够从第一试验段(103)经回流段(334)流向第二试验段(302)最终通过出口段(107)排到外界。
6.根据权利要求5所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：第二试验段(302)与回流段(334)之间设置有阻尼网(117)和蜂窝器(116)以及第二收缩段。
7.根据权利要求6所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：所述动力段(106)还设置有依次连接的后端风机罩(111)、止旋片(112)、风扇(109)和前端风机罩(110)，并且后端风机罩(111)朝向出口段(107)，前端风机罩朝向扩散段(105)。
8.根据权利要求7所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：所述第一调流段(104)包括第一百叶装置(113)和第一电动门(114)，第一百叶装置(113)设置在风洞外壁上，第一电动门(114)位于第一百叶装置(113)内侧，第一百叶装置(113)上设置有多个叶片，气流能够从外界通过叶片之间的缝隙流入到扩散段(105)中，第一电动门(114)能够沿风洞内壁平移移动，调流段(104)数量为多个，在扩散段(105)的侧壁上对称设置。
9.根据权利要求8所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：第二调流段(331)包括第二百叶装置(316)和第二电动门(315)，第二百叶装置(316)设置在风洞外壁上，第二电动门(315)位于第二百叶装置(316)内侧，第二百叶装置(316)上设置有多个叶片，气流能够从外界通过叶片之间的缝隙流入到风洞管道中第二电动门(315)能够沿风洞内壁平移移动，所述调流段(104)数量为多个，在回流段(334)两端部的侧壁上对称设置。
10.根据权利要求1所述的双试验段直流阵风风洞，其特征在于：稳定段(101)的内部连接着两道阻尼网(117)，阻尼网(117)的一侧与蜂窝器(116)相连，蜂窝器(116)与外界连通。
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