通过改变圆柱转速来调节边界层风洞试验底部湍流度的装置

摘要

本发明涉及一种通过通过改变圆柱转速来调节边界层风洞试验底部湍流度的装置及实时调控系统，该装置放置在尖劈两侧，具体实现的思路是：通过设置在被测体测点上的湍流度传感器，感应风场的湍流度，当湍流度偏小或者偏大时，利用设置在可旋转圆柱装置上的控制模块向电机发送信号，电机根据信号做出相应的调整，改变旋转圆柱的转速；当湍流度达到预定值时，控制模块向电机发送相应信号，电机此时保持功率不变，圆柱体保持转速不变，边界层风洞底部湍流度保持不变，实验人员开始进行相应的风洞试验。

说明书

技术领域

本发明应用于流体力学试验技术领域，特别涉及通过改变圆柱转速来调节 边界层风洞试验底部湍流度的装置及湍流度调控方法，可有效增加风场底部湍 流度，从而提高风洞试验结果的准确性。

背景技术

风洞试验是当前对风敏感结构进行研究的主要手段之一。风洞试验结果的 准确度直接影响到对结构性能的准确把握。影响风洞试验结果的因素有很多， 其中风洞底部湍流强度是一个主要因素。当前对风洞底部湍流度的模拟不足造 成了风洞试验结果不够精确，甚至会制约该试验方法的普遍应用。当前主要采 用布设尖劈以及粗糙元的技术来模拟风洞试验中的大气边界层。

实际的大气边界层底部风速梯度大，风场较复杂，湍流度以及湍流积分尺 度也较大，而当前布置粗糙元和尖劈的方法对于增大风场底部的湍流度效果非 常有限，很难满足实际试验要求。

一方面，采用布设粗糙元的方法，对风场底部湍流度增强幅度不是很大， 而且可调节性不强；另一方面，采用增大尖劈底部宽度的方式，虽然可以适当 增强风场底部的湍流度，但由于风洞尺寸的限制，其效果非常有限。也有学者 采用振动尖劈等主动模拟方式，但其控制难度大，成本较高，因此很难得到推 广。

CN103713153A公开了一种用于测量风洞试验中结构表面风速的新型探头， 其特征在于：包括空心的圆筒壳体(3)、呈90度弯折的长取压管(1)，所述圆筒 壳体(3)上端及下端分别设置有封住其空心出口的圆形上端板(2)及下端板(4)， 所述上端板(2)及下端板(4)中心均设置有中心孔，且所述上端板(2)边缘沿上端 板(2)的同心圆均匀的设置有采集孔(7)，所述圆筒壳体(3)下端紧贴设置有圆柱 体(5)，所述圆筒壳体(3)侧壁水平设置有直通圆筒壳体(3)空心处的短取压管(6)， 所述长取压管(1)的一边竖直穿入地设置在所述上端板(2)及下端板(4)的中心孔 内，另一边水平穿过并延伸至圆柱体(5)侧壁外。

CN204882029U公开了一种用于建筑风环境风洞试验的无风向风速探头， 其特征在于：所述的探头由壳体(2)、堵头(3)、长取压管(1)和短取压管(4)组成， 所述的壳体(2)为圆筒形结构，其一端为开敞端(2a)，另一端为封闭端(2b)，所 述的堵头(3)密闭安装在壳体(2)的封闭端(2b)，所述的长取压管(1)穿过壳体(2) 的开敞端(2a)和堵头(3)后从壳体的封闭端(2b)穿出，其管壁与堵头(3)紧密接触 并密封，所述的取压短管(4)由壳体(2)的封闭端(2b)伸入，穿过堵头(3)并与壳体 内腔连通，其管壁与堵头(3)紧密接触并密封。

已有技术问题及缺陷包括：1、利用粗糙元产生的底部湍流强度并不是在所 有情况下都能达到我们所需要的底部风场湍流强度，而且该湍流强度很难根据 实际试验情况进行调节；2、现有的利用尖劈来增加底部湍流强度的方式有较 大的局限性，效果不是很明显；3、实际风场底部湍流涡旋尺寸较大，但是利 用粗糙元和尖劈的方法得到的风场底部湍流积分尺度偏小。

发明内容

鉴于现有技术存在的技术问题，本发明具体涉及一种通过通过改变圆柱转 速来调节边界层风洞试验底部湍流度的装置，可有效增加风场底部湍流度，从 而提高风洞试验结果的准确性；另一方面，通过圆柱反方向的旋转来增大底部 旋涡尺寸，从而增大风洞中底部风场湍流积分尺度，达到更好地拟合实际风场 的效果。

具体地，本发明的目的是这样实现的：通过改变圆柱转速来调节边界层风 洞试验底部湍流度的装置，其中，旋转圆柱主要包括：底座、圆柱以及动力装 置，其中，底座包括上底盘和下底盘，a.上底盘与轴承连接，利用轴承可调节 角度来贴合尖劈的外形，动力装置包括旋转体和电机，上底盘中心设置有旋转 体，旋转体上部连接圆柱，旋转体下部与电机连接；b.下底盘起到固定以及连 接电源作用，下底盘一侧设置有调控装置，调控装置与电机连接，并可实时控 制电机转速。

其中，所述圆柱底部设置有凹槽，与上底盘的旋转体连接。

圆柱尺寸高度可以根据具体试验需要制作，材料不限，底部初步拟用的材 料为塑料。

优选方案为利用轴承可调节上地盘和下底盘夹角的角度范围为0～75度。

为了自动调控，所述装置进一步包括内部控制模块，内部控制模块通过布 置在被测物测点上的湍流度传感器发送的信号，来控制电机的输出功率，从而 控制旋转体的转速。

本发明的再一目的在于提供一种湍流度调控方法，使用前述的一种可旋转 的增强风场底部湍流强度的风洞试验装置。

所述方法具体包括：该装置放置在尖劈两侧，通过设置在被测体测点上的 湍流度传感器，感应风场的湍流度，当湍流度偏小或者偏大时，利用设置在可 旋转圆柱装置上的控制模块向电机发送信号，电机根据信号做出相应地调整， 改变旋转圆柱的转速；当湍流度小于目标值时，增大圆柱转速；当湍流度大于 目标值时，减小圆柱转速。在湍流度接近目标值时，减小圆柱转速的调节度， 以更准确地取得目标湍流度。达到预定值时，控制模块向电机发送相应信号， 电机此时保持功率不变，圆柱体保持转速不变，实验人员开始进行相应的风洞 试验。本发明机理明确，因此申请人认为可事先通过大量试验得到圆柱体不同 转速与被测点湍流度增加量之间的关系，形式如表所示。在进行风洞试验时， 可以该转速为初始调整值，根据实时反馈进行调节。

湍流度调节参考数据(表内数据仅供参考)

优选方案为在每个尖劈两侧分别设置一个旋转圆柱，通过圆柱反方向的旋 转给来流风场注入角动量，增大尖劈底部产生涡旋的尺寸，从而增大湍流强度。

本发明相对于现有技术所起到的有益效果，包括：

1.较灵活，适应范围广，可以通过调节角度来适应不同形状的尖劈，通过 采用不同高度尺寸的圆柱、不同的转速来满足具体的试验要求；

2.相较于其他的主动模拟，旋转圆柱装置制作成本低，操作简单；

3.相较于被动模拟，旋转圆柱通过注入角动能的方式，增大风场总能量， 增大涡旋尺寸，效果更加好；

4.能较好地解决底部风场湍流积分尺度偏小的问题。

附图说明

图1本发明增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置的可旋转圆 柱整体示意图

图2本发明增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置的圆柱与旋 转体连接图

图3本发明增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置的可旋转圆 柱位于尖劈布置图

图4本发明增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置的可旋转圆 柱配合尖劈在风洞试验段位置示意图

图5本发明增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置的可旋转圆 柱配合尖劈在风洞试验段位置示意图

图6本发明增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置的可旋转圆 柱主动控制流程图

图7本发明增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置的一种具体 实施流程图

图8本发明增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置的另一种具 体实施流程图

其中，1为底座，1a为上底盘，1b为下底盘，1c为角度调节支架，2为圆 柱，3为旋转体，4为开关。

具体实施方案

下面结合具体事例和附图对本发明作进一步详细说明，但是本发明的内容 不局限于实施例。

实施例1

如图1、2所示，一种增加边界层风洞试验底部湍流度的可旋转圆柱装置， 其特征在于，其中，旋转圆柱主要包括：底座、圆柱以及动力装置，其中，底 座包括上底盘和下底盘，a.上底盘与轴承连接，利用轴承可调节角度来贴合尖 劈的外形，动力装置包括旋转体和电机，上底盘中心设置有旋转体，旋转体上 部连接圆柱，旋转体下部与电机连接；b.下底盘起到固定以及连接电源作用， 下底盘一侧设置有调控装置，调控装置与电机连接，并可实时控制电机转速。

其中，所述圆柱底部设置有凹槽，与上底盘的旋转体连接。

圆柱尺寸高度可以根据具体试验需要制作，材料不限，底部初步拟用的材 料为塑料。

优选方案为利用轴承可调节上地盘和下底盘夹角的角度范围为0～75度。

实施例2

在实施例1的基础上，为了自动调控，所述装置进一步包括内部控制模块， 内部控制模块通过布置在被测物测点上的湍流度传感器发送的信号，来控制电 机的输出功率，从而控制旋转体的转速。

实施例3

如5图3-图8所示，采用实施例2的方案用于湍流度调控方法，具体方法 包括：

使用前述的一种可旋转的增强风场底部湍流强度的风洞试验装置进行调控。

所述方法具体包括：该装置放置在尖劈两侧，通过设置在被测体测点上的 湍流度传感器，感应风场的湍流度，当湍流度偏小或者偏大时，利用设置在可 旋转圆柱装置上的控制模块向电机发送信号，电机根据信号做出相应地调整， 改变旋转圆柱的转速；当湍流度小于目标值时，增大圆柱转速；当湍流度大于 目标值时，减小圆柱转速。在湍流度接近目标值时，减小圆柱转速的调节度， 以更准确地取得目标湍流度。达到预定值时，控制模块向电机发送相应信号， 电机此时保持功率不变，圆柱体保持转速不变，实验人员开始进行相应的风洞 试验。

优选方案为在每个尖劈两侧分别设置一个旋转圆柱，通过圆柱反方向的旋 转给来流风场注入角动量，增大尖劈底部产生涡旋的尺寸，从而增大湍流强度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不 能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通 技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替 换，都应当视为属于本发明的保护范围。