常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构及方法

常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构及方法
【专利摘要】本发明为一种常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构及方法。常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，包括固接在地面的固定支架以及沿竖向安装在固定支架上并用于将水平气流转变为水平切变气流的迎风板体，迎风板体设于高速铁路桥梁的迎风面，迎风板体上开设有多个用于透风的透风孔，迎风板体的板侧设置有用于驱使迎风板体沿竖向移动并控制迎风板体移动速度的驱动机构。实现不同流速的水平切变气流，从而满足各种状况下的模拟需要。
【专利说明】常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构及方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及到常规风洞中切变气流模拟【技术领域】，具体涉及一种在常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构；同时还涉及一种常规风洞中通过快门式机构模拟产生水平切变气流的方法。

【背景技术】
[0002]切变气流是指气流运动速度或方向突然变化的一种气流现象，可分为水平风的垂直切变、水平风的水平切变以及垂直风切变等3种主要类型。列车主要受到水平切变气流的影响，这种切变风是导致列车风致倾覆的主要原因之一。例如，2007年发生的南疆列车倾覆事故原因调查结果表明，气流的突然切变扮演了重要角色；日本近二十多年发生的风致倾覆事故中，1986年的餘部桥事故、1994年的北海道根室线事故、三陆铁道事故、1998年的筑肥线事故等，均被事故调查委员会认定为切变风引起的列车倾覆事故。随着高速铁路的发展，高速列车在切变风作用下的气动特性引起人们的极大关注。
[0003]风洞试验是研究列车气动特性的主要有效手段之一，准确模拟来流特性是获得可靠试验结果的前提，但常规风洞产生的都是平稳气流，不能直接产生具有风速、风向突然改变特性的切变气流。因此，为研究切变风作用下列车的气动特性，需要研发一种常规风洞中水平切变气流发生方法。


【发明内容】

[0004]本发明要解决的技术问题是，针对常规风洞不能直接产生切变气流的问题，提供一种常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构及常规风洞中模拟产生水平切变气流的方法，通过在模型上游一定距离处设置能自动升降且带有开孔的快门式机构，通过该机构的突然升降实现测试模型处气流的水平切变，该方法可方便的调整气流切变时速度变化的时长和大小范围，以准确模拟各种特性的切变气流。
[0005]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:将快门式机构安装在模型上游一定距离处，机构高度应大于测试模型的高度；将转动轴插入快门式机构的转动轴孔洞和迎风板体的孔洞，安装固定；通过电机带动转动轴绕不同方向转动，实现快门式机构的升起或降落，其中快门式机构的突然下降可实现测试模型处风速的突然增大，突然升起可实现风速的突然减小，升降速度可控制风速切变时间的长短；快门式机构上均布透风孔，孔洞面积与机构总面积之比为开孔率，通过调节开孔率大小可调节快门式机构下游模型处的风速大小，以控制气流切变前后速度大小变化幅度。
[0006]优先地，快门式机构的升降由一套自动化控制系统控制快门式机构转轴的转动实现，自动化控制系统包括直流电源、可编程逻辑控制器、直流继电器、电源开关盒、微型直流减速电机和转动轴，通过微型直流减速电机带动转动轴绕不同方向转动，实现机构的升起或降落，并设置不同的双向摇杆电源开关控制。
[0007]优先地，快门式机构的转轴转动速度可以通过自动化控制系统进行控制，并能方便地获得不同的转速，从而控制快门式机构的升降速度，进而控制气流切变时速度变化的时长。
[0008]优先地，快门式机构上均匀布设一些孔洞，可以通过调整通孔洞的数量及大小以改变开孔率的大小，从而控制快门式机构升起或降落前模型处的风速大小，实现不同大小风速之间的切变。
[0009]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是:一种常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，包括固接在地面的固定支架以及沿竖向安装在固定支架上并用于将水平气流转变为水平切变气流的迎风板体，迎风板体设于高速铁路桥梁的迎风面，迎风板体上开设有多个用于透风的透风孔，迎风板体的板侧设置有用于驱使迎风板体沿竖向移动并控制迎风板体移动速度的驱动机构。
[0010]优选地，驱动机构包括可转动地连接在迎风板体板侧的转动轴、设于转动轴两端并用于引导转动轴移动方向的固定槽以及用于驱动转动轴在固定槽内旋转移动的动力源；固定槽沿竖向固接在固定支架上，转动轴沿垂直于固定槽的方向布置，转动轴两端分别可滚动地卡固在转动轴两端的固定槽内。
[0011 ] 优选地,驱动机构包括设置于迎风板体板侧的气缸，气缸的输出方向沿迎风板体的移动方向布置；迎风板体嵌固在导向槽内，导向槽沿迎风板体的移动方向布置。
[0012]优选地，透风孔上设置有用于调节开孔尺寸的开孔调节机构。
[0013]优选地，开孔调节机构采用与迎风板体表面的透风孔相匹配的孔板，通过调节孔板与迎风板体的相对位置关系使迎风板体的透风孔与孔板上的孔错位从而调节透风孔的孔径大小。
[0014]优选地，开孔调节机构采用孔塞，通过调节孔塞与透风孔的相对距离调节透风孔的孔径大小。
[0015]为实现上述目的，本发明所采用的另一技术方案是:一种常规风洞中产生水平切变气流的方法，快门式机构安装在列车模型的上游，快门式机构的迎风面均匀布置有透风孔，通过改变透风孔的大小和数量调节透风率，用于控制气流切变前后速度大小变化范围；快门式机构的下端与地面固定，并通过转动轴与快门式机构的迎风板体连接，快门式机构通过驱动机构驱动转动轴转动以控制迎风板体沿竖直方向升降，通过可编程逻辑控制器控制驱动机构改变转动轴的转动速度，从而改变快门式机构的升降速度，进而调节风速突变的时间长短。
[0016]优选地，快门式机构由电机作为驱动机构对快门式机构的升降进行自动控制，通过迎风板体的突然升降实现测试列车模型处的气流切变。
[0017]优选地，快门式机构的高度大于待测试的列车模型的高度。
[0018]优选地，将转动轴插入快门式机构的转动轴孔洞，通过电机带动转动轴绕不同方向转动，实现快门式机构的升起或降落，其中快门式机构的突然下降以实现待测试列车模型处风速的突然增大，快门式机构的突然升起以实现风速的突然减小，升降速度用于控制风速切变时间的长短。
[0019]将快门式机构安装在模型上游一定距离处，机构高度应大于测试模型的高度；将转动轴插入快门式机构的转动轴孔洞和板件的孔洞，安装固定。通过电机带动转动轴绕不同方向转动，实现快门式机构的升起或降落，其中快门式机构的突然下降可实现测试模型处风速的突然增大，突然升起可实现风速的突然减小，升降速度可控制风速切变时间的长短。快门式机构上均布通风孔，孔洞面积与机构总面积之比为开孔率，通过调节开孔率大小可调节快门式机构下游模型处的风速大小，以控制气流切变前后速度大小变化幅度。
[0020]优先地，快门式机构的升降由一套自动化控制系统控制快门式机构转轴的转动实现，此系统包括直流电源、可编程逻辑控制器、直流继电器、电源开关盒、微型直流减速电机和转动轴等组成，通过微型直流减速电机带动转动轴绕不同方向转动，实现机构的升起或降落，并设置不同的双向摇杆电源开关控制。
[0021]优先地，快门式机构的转轴转动速度可以通过自动化控制系统进行控制，并能方便地获得不同的转速，从而控制快门式机构的升降速度，进而控制气流切变时速度变化的时长。
[0022]优先地，快门式机构上均匀布设一些孔洞，可以通过调整通孔洞的数量及大小以改变开孔率的大小，从而控制快门式机构升起或降落前模型处的风速大小，实现不同大小风速之间的切变。
[0023]在常规风洞中产生水平切变气流的方法，在距模型上游一定距离处安装快门式机构，通过电机带动转动轴绕不同方向转动实现快门式机构的升起或降落，由快门式机构的突然升降实现测试模型处气流的水平切变，升降速度可控制风速切变时间的长短。由于快门式机构上均布透风孔，通过调节开孔率大小可调节快门式机构下游模型处的风速大小，以控制气流切变前后速度大小变化范围。该方法可准确模拟各种特性的切变气流，适用范围较广。
[0024]本发明的有益效果在于:
[0025]本发明常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，通过在高速铁路桥梁的迎风面设置可沿竖向移动的迎风板体并且在迎风板体上开设透风孔来模拟出所需要的水平切变气流，通过驱动机构控制迎风板体的移动速度，从而实现不同流速的水平切变气流，从而满足各种状况下的模拟需要。
[0026]下面结合附图对本发明专利作进一步说明。

【专利附图】

【附图说明】
[0027]图1是本发明实施例的常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构的结构示意图；
[0028]图2是本发明实施例的快门式机构的结构示意图。
[0029]其中I为固定支架；2为迎风板体；3、高速铁路桥梁；4、透风孔；5、驱动机构；501、固定槽；502、转动轴；503、动力源。

【具体实施方式】
[0030]下面对本发明专利技术内容的进一步说明，但并非对本发明专利实质内容的限制。
[0031]图1是本发明实施例的常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构的结构示意图；图2是本发明实施例的快门式机构的结构示意图。
[0032]本发明实施例，一种常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，包括固接在地面的固定支架I以及沿竖向安装在固定支架I上并用于将水平气流转变为水平切变气流的迎风板体2，迎风板体2设于高速铁路桥梁3的迎风面，迎风板体2上开设有多个用于透风的透风孔4，迎风板体2的板侧设置有用于驱使迎风板体2沿竖向移动并控制迎风板体2移动速度的驱动机构5。
[0033]其还在于，驱动机构5包括可转动地连接在迎风板体2板侧的转动轴502、设于转动轴502两端并用于引导转动轴502移动方向的固定槽501以及用于驱动转动轴502在固定槽501内旋转移动的动力源503 ;固定槽501沿竖向固接在固定支架I上，转动轴502沿垂直于固定槽501的方向布置,转动轴502两端分别可滚动地卡固在转动轴502两端的固定槽501内ο
[0034]其还在于,驱动机构5包括设置于迎风板体2板侧的气缸,气缸的输出方向沿迎风板体2的移动方向布置；迎风板体2嵌固在导向槽内，导向槽沿迎风板体2的移动方向布置。
[0035]其还在于，透风孔4上设置有用于调节开孔尺寸的开孔调节机构。
[0036]其还在于，开孔调节机构采用与迎风板体2表面的透风孔4相匹配的孔板，通过调节孔板与迎风板体2的相对位置关系使迎风板体2的透风孔4与孔板上的孔错位从而调节透风孔4的孔径大小。
[0037]其还在于，开孔调节机构采用孔塞，通过调节孔塞与透风孔4的相对距离调节透风孔4的孔径大小。
[0038]本发明实施例，一种常规风洞中产生水平切变气流的方法，快门式机构安装在列车模型的上游，快门式机构的迎风面均匀布置有透风孔4，通过改变透风孔4的大小和数量调节透风率，用于控制气流切变前后速度大小变化范围；快门式机构的下端与地面固定，并通过转动轴502与快门式机构的迎风板体2连接,快门式机构通过驱动机构5驱动转动轴502转动以控制迎风板体2沿竖直方向升降，通过可编程逻辑控制器控制驱动机构5改变转动轴502的转动速度，从而改变快门式机构的升降速度，进而调节风速突变的时间长短。
[0039]其还在于，快门式机构由电机作为驱动机构5对快门式机构的升降进行自动控制，通过迎风板体2的突然升降实现测试列车模型处的气流切变。
[0040]其还在于，快门式机构的高度大于待测试的列车模型的高度。
[0041]其还在于，将转动轴502插入快门式机构的转动轴502孔洞，通过电机带动转动轴502绕不同方向转动，实现快门式机构的升起或降落，其中快门式机构的突然下降以实现待测试列车模型处风速的突然增大，快门式机构的突然升起以实现风速的突然减小，升降速度用于控制风速切变时间的长短。
[0042]实施例1
[0043]所述常规风洞中切变气流发生方法的步骤为:
[0044]参考图1，本发明快门式机构安装在试验模型的上游，快门式机构的迎风面均匀布置透风孔4，透风孔4可以是矩形或者圆形，通过改变透风孔4的大小和数量调节透风率。迎风板体2通过固定支架I固定在地面，快门式机构的下端与地面固定，快门式机构通过转动轴502与迎风板体2连接。快门式机构为板型结构，通过改变不同的透风率，达到不同的风速；快门式机构的转动通过电机(动力源503)控制转动轴502的转动实现，且能通过可编程逻辑控制器(现有技术)控制电机(动力源503)改变转动轴502的速度，从而改变风速突变的时间。
[0045]实施例2
[0046]—种常规风洞中切变气流发生方法，如图1所示，以高速铁路桥梁2和列车为例，在模型上游安装快门式机构，快门式机构的迎风面均匀布置透风孔4，透风孔4可以是矩形或者圆形，通过改变透风孔4的大小和数量调节透风率；快门式机构的高度不能低于列车模型、桥梁模型和桥墩模型的高度之和；迎风板体2固定在地面，快门式机构的下端与地面固定，快门式机构通过转动轴502与迎风板体2连接。
[0047]试验时，通过改变快门式机构透风率大小来调节来流切变前后风速变化幅度，风速突变时间则由电机控制快门式机构的升降速度来实现，据此可准确模拟各种特性的水平切变风。
[0048]本发明属于国家自然科学基金项目(51322808)的重点研究内容之一，为移动列车气动性能以及安全行驶提供更为精确的风洞试验手段，从而为确保高速列车安全运营的提供技术支持。
[0049]以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，其特征在于，包括固接在地面的固定支架以及沿竖向安装在固定支架上并用于将水平气流转变为水平切变气流的迎风板体，迎风板体设于高速铁路桥梁的迎风面，迎风板体上开设有多个用于透风的透风孔，迎风板体的板侧设置有用于驱使迎风板体沿竖向移动并控制迎风板体移动速度的驱动机构。
2.根据权利要求1所述的常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，其特征在于，驱动机构包括可转动地连接在迎风板体板侧的转动轴、设于转动轴两端并用于引导转动轴移动方向的固定槽以及用于驱动转动轴在固定槽内旋转移动的动力源；固定槽沿竖向固接在固定支架上，转动轴沿垂直于固定槽的方向布置，转动轴两端分别可滚动地卡固在转动轴两端的固定槽内。
3.根据权利要求1所述的常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，其特征在于，驱动机构包括设置于迎风板体板侧的气缸，气缸的输出方向沿迎风板体的移动方向布置；迎风板体嵌固在导向槽内，导向槽沿迎风板体的移动方向布置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，其特征在于，透风孔上设置有用于调节开孔尺寸的开孔调节机构。
5.根据权利要求4所述的常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，其特征在于，开孔调节机构采用与迎风板体表面的透风孔相匹配的孔板，通过调节孔板与迎风板体的相对位置关系使迎风板体的透风孔与孔板上的孔错位从而调节透风孔的孔径大小。
6.根据权利要求4所述的常规风洞中模拟产生水平切变气流的快门式机构，其特征在于，开孔调节机构采用孔塞，通过调节孔塞与透风孔的相对距离调节透风孔的孔径大小。
7.一种常规风洞中产生水平切变气流的方法，其特征在于，快门式机构安装在列车模型的上游，快门式机构的迎风面均匀布置有透风孔，通过改变透风孔的大小和数量调节透风率，用于控制气流切变前后速度大小变化范围；快门式机构的下端与地面固定，并通过转动轴与快门式机构的迎风板体连接，快门式机构通过驱动机构驱动转动轴转动以控制迎风板体沿竖直方向升降，通过可编程逻辑控制器控制驱动机构改变转动轴的转动速度，从而改变快门式机构的升降速度，进而调节风速突变的时间长短。
8.根据权利要求7所述的常规风洞中产生水平切变气流的方法，其特征在于，快门式机构由电机作为驱动机构对快门式机构的升降进行自动控制，通过迎风板体的突然升降实现测试列车模型处的气流切变。
9.根据权利要求7所述的常规风洞中产生水平切变气流的方法，其特征在于，快门式机构的高度大于待测试的列车模型的高度。
10.根据权利要求7所述的常规风洞中产生水平切变气流的方法，其特征在于，将转动轴插入快门式机构的转动轴孔洞，通过电机带动转动轴绕不同方向转动，实现快门式机构的升起或降落，其中快门式机构的突然下降以实现待测试列车模型处风速的突然增大，快门式机构的突然升起以实现风速的突然减小，升降速度用于控制风速切变时间的长短。
【文档编号】G01M9/04GK104458196SQ201410605649
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】邹云峰, 何旭辉, 李欢, 史康, 周佳 申请人:中南大学, 高速铁路建造技术国家工程实验室