一种风洞试验风场布置装置

1.本实用新型涉及土木工程技术领域，特别是涉及一种风洞试验风场布置装置。


背景技术：

2.风洞试验是风工程研究中的一种重要手段。在进行风洞试验时，主要对大气边界层模拟以下4项指标：平均风速剖面、湍流强度剖面、湍流积分尺度以及脉动风速功率谱；在常规风洞中，可以较为准确的模拟与调整平均风速剖面和湍流强度剖面，但难以有效的调节脉动风速在整个风谱频段的能量分布，对自然风场中的低频脉动成分模拟不足，其宏观表现为湍流积分尺度小。相关研究已经表明湍流积分尺度变化范围大，对结构风效应有不可忽略的影响，但针对超高层建筑结构的相关研究甚少。现有研究大多针对平板及桥面等扁平结构，比较一致的结论是湍流积分尺度对脉动风压影响较大；但其气动效应较超高层建筑的气动效应与很大的差别，相关成果是否适用于超高层建筑仍有待验证。
3.在现有技术被动模拟方面，现多采用布置格栅装置(或振动格栅装置)，实现对湍流度的精确可调。此类装置格栅的栅条采用矩形截面，横竖交替，形成类似网状的结构。具体的，增加格栅宽度能够增强流场湍流强度，但如果格栅宽度过大，则流场湍流强度不均匀，而格栅宽度过小，湍流强度分布轮廓近似格栅状。故当需加强流场稳定性或湍流强度值时，可通过流场湍流度分布轮廓决定格栅宽度的调整范围。而增加格栅数目对湍流强度的大小影响不大，但能使速度值减小，而且当格栅数目达到一定值时，风速不随格栅数目改变而改变。对于湍流强度和速度在空间上的分布，增加格栅数目能够很好地改善流场均匀性，但格栅数目不宜过大，避免出现明显的分层现象。
4.也就是说，格栅湍流场可以实现对湍流度的精准调节，但无法做到对湍流积分尺度的精确模拟；而且常规的尖劈加粗糙元的模拟方式又存在湍流积分尺度随高度增加而减小的问题，与实际情况不相符。
5.因此，如何设计一种能够精确模拟湍流积分尺度的风洞试验风场布置装置，成为本领域当前要解决的问题。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的是提供一种风洞试验风场布置装置，该装置通过三层依次降低高度的方板切割流场，达到了可有效模拟湍流积分尺度随高度变化而增大的目的。而且该装置能够方便快速安装和拆卸，稳定可靠。
7.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
8.一种风洞试验风场布置装置，包括：
9.风洞试验洞体；
10.在所述风洞试验洞体内部沿风向依次固定设有若干层风板组，每一所述风板组包含多个间隔且并排设置的风板；相邻两层所述风板组中的风板错位设置；
11.沿风向排序在最后一层的所述风板组的背风侧设有用于放置试验模型的风洞试
验圆盘；若干层所述风板组用于切割流场，在所述风洞试验圆盘区域通过三维脉动风速仪实时测量试验模型在所述风洞试验洞体内的风速、湍流度与湍流积分尺度。
12.可选的，若干层所述风板组的高度沿风向由高到低依次设置。
13.可选的，所述风板组为3层，由高到低依次为第一层风板组、第二层风板组和第三层风板组。
14.可选的，所述第一层风板组包括若干个第一层矩形板，每一所述第一层矩形板的背风面由一第一支撑装置固定；若干个所述第一层矩形板的迎风面在同一平面上，且垂直于所述风洞试验洞体底面。
15.可选的，所述第一支撑装置包括圆筒形立柱、底座和调高件，所述圆筒形立柱的底部与所述底座垂直固定连接，所述底座上设有若干个安装孔，通过若干个所述安装孔与所述风洞试验洞体底面垂直固定连接；所述调高件可升降连接于所述圆筒形立柱的顶端。
16.可选的，所述调高件的外壁设有左右两个手柄。
17.可选的，所述调高件的外顶部设有橡胶垫片。
18.可选的，所述第二层风板组包括若干个第二层矩形板，每一所述第二层矩形板的背风面由一第二支撑装置固定；若干个所述第二层矩形板的迎风面在同一平面上，且垂直于所述风洞试验洞体底面。
19.可选的，所述第三层风板组包括若干个第三层矩形板，每一所述第三层矩形板的背风面由一第三支撑装置固定；若干个所述第三层矩形板的迎风面在同一平面上，且垂直于所述风洞试验洞体底面。
20.可选的，还包括若干个粗糙元和若干个尺寸的挡板；
21.若干个所述粗糙元构成多排粗糙元组，多排所述粗糙元组布置在最后一层风板组和所述风洞试验圆盘之间；每排所述粗糙元组中的所述粗糙元等间距布置，相邻两排所述粗糙元组中的所述粗糙元错位布置；所述粗糙元为立方体；
22.所述挡板与沿风向排序在第一层的所述风板组连接。
23.根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
24.1.本实用新型提供了一种风洞试验风场布置装置，该装置采用矩形板部分代替粗糙元，能有效扩大对湍流度的影响，并能影响到湍流积分尺度。
25.2.现如今的格栅布置装置笨重且不易拆卸和拼装，费时费力；本实用新型结构简单，布置方便，大大提高了试验效率，同时也大大节省了成本。
26.3.常规的尖劈与粗糙元的被动模拟方式对湍流积分尺度的模拟不够充分，本实用新型在兼顾风速剖面和湍流度剖面的同时，对湍流积分尺度剖面也有较好的吻合，较为符合真实的大气边界层状况。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本实用新型实施例1提供的一种风洞试验风场布置装置结构示意图；
29.图2为第一层矩形板和圆筒形立柱的组装示意图；
30.图3为第一支撑装置的结构示意图；
31.图4为第二层矩形板和第二支撑装置的组装示意图；
32.图5为第三层矩形板和第三支撑装置的组装示意图；
33.图6为三层矩形板错位布置位置和粗糙元放置位置示意图。
34.符号说明：
[0035]1‑
风洞试验洞体；2
‑
风洞试验圆盘；3
‑
第一层矩形板；4
‑
第一支撑装置；5
‑
第二层矩形板；6
‑
第二支撑装置；7
‑
第三层矩形板；8
‑
第三支撑装置；9
‑
试验模型；10
‑
第一扎带；11
‑
粗糙元；40
‑
圆筒形立柱；41
‑
橡胶垫片；42
‑
螺旋套筒；43
‑
手柄；44
‑
螺栓孔；45
‑
底座；46
‑
安装孔。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
[0037]
本实用新型的目的是提供一种风洞试验风场布置装置，该装置通过三层依次降低高度的风板组切割流场，达到了可有效模拟湍流积分尺度随高度变化而增大的目的。而且该装置能够方便快速安装和拆卸，稳定可靠。
[0038]
首先需要说明的是：
[0039]
湍流积分尺度：又称湍流长度尺度。通过某一点气流中的脉动速度，可以认为是由平均风所输运的一些理想涡旋叠加而引起的，若定义涡旋大小的量度，湍流积分尺度则是气流中湍流涡旋平均尺度的量度。
[0040]
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
[0041]
实施例1：
[0042]
请参阅图1，本实用新型提供了一种风洞试验风场布置装置，包括：
[0043]
风洞试验洞体1；
[0044]
在风洞试验洞体1内部沿风向依次固定设有3层风板组，每一风板组包含多个间隔且并排设置的风板；相邻两层风板组中的风板错位设置；而且这3层风板组的高度沿风向由高到低依次设置，分别为第一层风板组、第二层风板组和第三层风板组。
[0045]
具体的，第一层风板组包括3个第一层矩形板3，每一第一层矩形板3的背风面由一第一支撑装置4固定；3个第一层矩形板的迎风面在同一平面上，且垂直于风洞试验洞体1底面。
[0046]
第二层风板组包括4个第二层矩形板5，每一第二层矩形板5的背风面由一第二支撑装置6固定；4个第二层矩形板5的迎风面在同一平面上，且垂直于风洞试验洞体底面。
[0047]
第三层风板组包括3个第三层矩形板7，每一第三层矩形板7的背风面由一第三支撑装置8固定；3个第三层矩形板7的迎风面在同一平面上，且垂直于风洞试验洞体底面。
[0048]
沿风向排序在最后一层的所述风板组的背风侧设有用于放置试验模型的风洞试
验圆盘2；若干层所述风板组用于切割流场，在所述风洞试验圆盘2区域通过三维脉动风速仪实时测量试验模型9在所述风洞试验洞体1内的风速、湍流度与湍流积分尺度。
[0049]
作为一种可能的实现方式，第一支撑装置4包括圆筒形立柱40、底座45和调高件，圆筒形立柱40的底部与底座45垂直固定连接，底座45上设有若干个安装孔46，通过若干个安装孔46与风洞试验洞体1底面垂直固定连接；调高件可升降连接于所述圆筒形立柱40的顶端，用于与风洞试验洞体1的顶部固定。使用圆筒形立柱40的原因是圆柱体表面光滑，为钝体，基本不产生分离和尾流，即便产生尾流，对流场影响较小，可以忽略。
[0050]
如图2所示，圆筒形立柱40与第一层矩形板3采用第一扎带10捆绑连接。
[0051]
如图3所示，第一支撑装置4包括圆筒形立柱40、橡胶垫片41和螺旋套筒42。其中，所述螺旋套筒42代表调高件，所述圆筒形立柱40的顶端攻有外螺纹并与螺旋套筒42螺纹连接；所述螺旋套筒42的外壁设有左右两个手柄43，这样当需要将靠上部的螺旋式的装置往上旋转固定时可以方便用力。另外，在所述螺旋套筒42的外顶部设有橡胶垫片41，其目的是为了增加圆筒形立柱40顶部与风洞试验洞体1顶部的接触摩擦力，使得固定更加稳固牢靠。
[0052]
作为一种可能的实现方式，在圆筒形立柱40的外壁上均匀设有若干螺栓孔44，这样设计可以方便其他实验的使用；同时，通过螺栓孔44也可以使圆筒形立柱40与第一层矩形板3捆绑的更加牢固。
[0053]
如图4所示，第二支撑装置6设置在第二层矩形板5的背风面，二者的底部对齐，第二支撑装置6在第二层矩形板5的中心轴线位置，形成t字支撑。先用白乳胶将支撑板与矩形板粘接在一起，然后使用气动钢钉枪将两者钉装在一起加固其连接；底部采用热熔胶与风洞试验洞体底面粘接，使其与风洞试验洞体底面连接以后能承受流场作用下的空气动力对矩形板产生的弯矩效用。
[0054]
如图5所示，第三支撑装置8设置在第三层矩形板7的背风面，二者的底部对齐，第三支撑装置8在第三层矩形板7的中心轴线位置，形成t字支撑。其连接方式与第二支撑装置6与第二层矩形板5的连接方式相同，在此不再赘述。
[0055]
需要说明的是，在本实用新型中，风洞试验洞体1的高度为3m，为满足试验要求，第一层矩形板3的高度为2.4m，为保证试验的稳定性，选取厚度为2cm，当然厚度可以调节，在1cm
‑
2cm之间都可以。其板宽依据试验要求灵活变化，即依据实验情况选用同高度不同板宽的矩形板与圆筒形立柱40捆绑连接。圆筒形立柱40的高度不足3m，这样方便移动位置。
[0056]
第二层矩形板5的高度为1m，厚度为2cm，其宽度的选择与第一层矩形板3一样，依实验情况而定。第二支撑装置6的尺寸为b
×
h＝0.6m
×
0.4m，厚度为2cm，而且第二支撑装置6的尺寸是可以改变的，范围可以是高0.6m
‑
0.8m，宽0.4m
‑
0.6m。也可以为节省材料把第二支撑装置6沿对角线切割，形成三角支撑。
[0057]
第三层矩形板7的尺寸是固定的，为b
×
h＝0.2m
×
0.25m和b
×
h＝0.25m
×
0.3m，厚度为2cm。第三支撑装置8的尺寸也是固定，为b
×
h＝0.2m
×
0.15m。同样，为了节省材料也可以把第三支撑装置8沿对角线切割，形成三角支撑。
[0058]
作为另一种可能的实现方式，该风洞试验风场布置装置还包括若干个粗糙元11和若干个尺寸的挡板；
[0059]
若干个粗糙元11构成多排粗糙元组，多排粗糙元组布置在最后一层风板组和风洞试验圆盘2之间；每排粗糙元组中的粗糙元11等间距布置，相邻两排粗糙元组中的粗糙元11
错位布置；所述粗糙元11为立方体；如图6所示。
[0060]
所述挡板与沿风向排序在第一层的所述风板组连接。
[0061]
具体的，本实用新型优选第一层矩形板3的高度为2.4m，其对应宽度分别有0.25m、0.2m、0.15m；第二层矩形板5的高度为1m，其对应宽度分别有0.25m、0.2m、0.17m、0.16m。实验过程中，同一层矩形板的宽度一致。依风场调试情况第三排矩形板选用0.2m
×
0.25m(宽
×
高)或0.25m
×
0.3m。三层矩形板均匀布置于风洞试验洞体内，具体数量见图1：具体为第一层3块，第二层4块，第三层3块；三层矩形板互相插缝，切割流场，以达到实验要求。
[0062]
根据来流风情况，改变三层矩形板的间距、距试验圆盘距离与板宽，通过三维脉动风速仪实时测量试验模型在所述风洞试验洞体内的湍流度与湍流积分尺度，以确定实验结果满足实验需求。其具体布置如下表1所示：
[0063]
表1
[0064][0065]
需要说明的是，风场1为基准风场，即风速剖面，湍流度剖面与湍流积分尺度剖面皆较为拟合规范c类风场；
[0066]
风场2为湍流增大风场，即风速剖面和湍流积分尺度剖界与风场1皆较为吻合的情况下，使得湍流度增大3％～4％。
[0067]
风场3为湍流积分尺度减小风场，即风速剖面和湍流度剖面与风场1皆较为吻合的情况下，使得湍流积分尺度减小。
[0068]
风场4则是在风场3的基础上，经过调试，使得积分尺度再次减小，而风速剖面和湍流度剖面不变。
[0069]
本实用新型具体的原理包括：在大气边界层风场模拟中，除了三层依次降低高度的矩形板以外，尚需增加粗糙元、挡板等辅助装置实现大气边界层模拟。以规范规定c类地貌风特性剖线为基准，三层矩形板能够使风场在中上部产生符合规范规定的风剖面和湍流强度廓线，且因为其上下同宽，故也较为满足湍流积分尺度的轮廓线。本实用新型在粗糙元、挡板的参与下，使风场中下部湍流度得以加强且风速得以减小，从而实现对大气边界层的模拟。
[0070]
上述挡板依据实验情况仅在第一层矩形板3的迎风面设置(在图中未画出挡板)，例如风场2在13m位置的宽250mm高2.4m矩形板的迎风面设置了上宽250mm，下宽380mm，高400mm的梯形挡板，以达到降低底部风速和增大底部湍流的作用；又如风场3在13m位置的宽
200mm高2.4m矩形板的迎风面设置了上宽195mm，下宽310mm，高500mm的梯形挡板，目的同上。挡板与2.4m高矩形板采用第二扎带连接，并在第二扎带表面粘接胶带，以达到光滑的目的，减小对流场的干扰，使得实验结果更为准确。
[0071]
上述粗糙元11布置形式为：在第三层矩形板7和风洞试验圆盘2之间，布置在风洞试验洞体1底面。粗糙元11为立方体，尺寸为7mm、10mm、15mm。按照风洞试验洞体1底面标志布置，其布置形式为同一平面等间距布置，前后两排粗糙元插缝等间距布置，每一排数量为7个或8个，以便互相遮挡流场。其示意图如图6所示。
[0072]
综上，本实用新型在被动模拟领域，能真实模拟大气边界层湍流积分尺度的情况，大大节省了成本。采用上下同宽且依次降低高度的矩形板代替常规的尖劈，以防止出现积分尺度调试过程中出现上小下大的情况。
[0073]
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。