一種可增強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振動格柵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明首先采用振動格柵的方法對均勻湍流場研究，提出了一種可增強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振動格柵，格柵設置在風洞箱內(nèi)，將格柵與電機相連，電機驅(qū)動改變振動格柵的振動速度，使得格柵條在風洞箱內(nèi)發(fā)生可控振動。來流風可穿過該格柵，采用格柵條的尾流增強試驗位置的湍流強度，實現(xiàn)湍流強度的精確可調(diào)。本發(fā)明旨在得到均勻湍流場湍流度的控制方法，從而準確開展特定均勻湍流場下橋面板等結(jié)構(gòu)的風致振動響應試驗；然后再采用振動格柵、尖劈和粗糙元組合耦合系統(tǒng)，對實際工程中的大氣邊界層進行模擬，實現(xiàn)對建筑模型風振響應的準確分析。本發(fā)明實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)在均勻湍流場和大氣邊界層風場中的研究，能夠滿足多種結(jié)構(gòu)的風振響應分析需求。
【專利說明】
一種可増強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振動格柵
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于流體力學試驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可增強大氣邊界層風洞湍流度 的主動型振動格柵及用于增強大氣邊界層風洞湍流度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，大氣邊界層的風洞模擬對于建筑物的風荷載，大氣污染質(zhì)擴散以及一些環(huán) 境科學甚至軍事項目等的研究具有極為重要的意義，其模擬方法也備受學者們的關(guān)注。在 已有的模擬方法中，可將其大致分為主動模擬方法和被動模擬方法兩種類型。主動模擬方 法的原理是使用可控制的主動擾動裝置對風洞中主氣流進行干擾，通過對湍流提供額外的 能量而使平均風剖面和湍流度在一定范圍內(nèi)獨立改變，從而實現(xiàn)大氣邊界層的模擬。主動 模擬方法能很好地實現(xiàn)對平均風剖面和湍流度的模擬，但是由于其技術(shù)要求高，造價費用 巨大等原因，該方法未能得到很好地推行。被動模擬方法的原理是利用特定裝置對風場進 行不同程度的堵塞而使風場風速出現(xiàn)剪切層，并將少量動能轉(zhuǎn)化為湍流的脈動能，從而實 現(xiàn)對大氣邊界層的模擬。在被動模擬方法中，最常采用的方法是旋渦發(fā)生器、擋板和粗糙元 的組合。經(jīng)各類風洞大氣邊界層模擬結(jié)果表明，該調(diào)試方法已經(jīng)基本可以模擬真實大氣邊 界層的平均風速廓線，但是對于湍流度廓線的模擬往往不盡人意，特別是對于城市高層建 筑物和高聳細長結(jié)構(gòu)等的大氣邊界層模擬過程中，常常出現(xiàn)邊界層上部湍流度過小等問 題，使試驗結(jié)果產(chǎn)生偏差。所以，對大氣邊界層湍流度的模擬仍然是風洞模擬的熱點。
[0003] 等間距格柵由于其能在風場中產(chǎn)生均勻湍流場而使其在風場模擬裝置中占據(jù)著 不可替代的作用，特別是在橋梁結(jié)構(gòu)風洞試驗中，能夠模擬局部較為均勻的紊流強度和積 分尺度流場顯得尤為重要。格柵能夠較好地控制風速與湍流度的關(guān)系，故而對其尾流特性 的研究也備受重視。例如，現(xiàn)有技術(shù)CN104316286A提供了一種旋翼啟動試驗臺低端設計方 法；以及CN104596725A風洞諧波風場的半主動模擬裝置。
[0004] 已有技術(shù)主要存在以下問題：
[0005] 1、粗糙元的擾動范圍過小，不能有效地擴散到相對的高度。研究表明，粗糙元的有 效擾動范圍大致為5倍邊長，其影響范圍遠遠小于風洞的幾何尺寸；
[0006] 2、由尖劈等旋渦發(fā)生器產(chǎn)生的高空湍流在流場中快速衰減，待其尾流發(fā)展到試驗 圓盤時，湍流能量所剩無幾；
[0007] 3、現(xiàn)如今較常使用的固定格柵不能大幅度變化流場湍流度，從而使模擬風場具有 局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明首先通過采用振動格柵的方法對均勻湍流場進行研究，一種可增強大氣邊 界層風洞湍流度的主動型振動格柵旨在提出均勻湍流場湍流度的控制方法，從而實現(xiàn)對不 同均勻湍流場下橋面板等結(jié)構(gòu)的響應;然后再由振動格柵、尖劈和粗糙元的耦合作用，對大 氣邊界層進行模擬，從而實現(xiàn)對建筑模型風振響應的分析。故本發(fā)明可以實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)在均 勾端流場和大氣邊界層風場中的研究，能夠適應各種結(jié)構(gòu)的風振響應分析。
[0009] 振動格柵采用改變格柵堵塞率、運動振幅和頻率以及格柵與實驗轉(zhuǎn)盤距離的方法 來改變流場的湍流度。
[0010] 具體的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)，所述一種可增強大氣邊界層風洞湍流 度的主動型振動格柵，包括：
[0011] -個風洞箱，風洞箱的其中兩個相對面為中空，格柵設置在風洞箱內(nèi)，來流風可穿 過該格柵，其中，格柵與電機相連，通過電機驅(qū)動改變振動格柵的振動速度，實現(xiàn)格柵條在 風洞箱內(nèi)的振動。
[0012] 優(yōu)選格柵的柵條采用矩形截面的形式，通過與電機相連，并且改變振動格柵的振 動速度，實現(xiàn)格柵條在風洞箱內(nèi)的振動，該振動可以增加湍流度(大約增幅為7%~30%)。 振動格柵振動快，湍流度增大;反之，減小。
[0013] 本發(fā)明優(yōu)選格柵寬度分別取〇.35m、0.25m、0.15m和0.05m。
[0014] 本發(fā)明采用橫豎各四根格柵的布置形式對格柵形狀進行分析。格柵橫豎條數(shù)分別 為7*10、6*8、5*6和4*4四個工程概況。
[0015] 進一步優(yōu)選方案中，風洞箱為長方體或者正方體。優(yōu)選在風洞箱的頂部和底部設 置軌道，且風洞箱通過與電機相連，在電機驅(qū)動下，沿著軌道作往復運動。
[0016] 本發(fā)明進一步提供一種可增強大氣邊界層風洞湍流度的方法，其中，使用前述一 種可增強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振動格柵。
[0017] 具體方法包括:根據(jù)來流風情況，啟動電機，通過與電機改變振動格柵的振動速 度，實現(xiàn)格柵條在風洞箱內(nèi)的振動;并在電機驅(qū)動下，沿著軌道作往復運動;通過實時監(jiān)測 風洞箱內(nèi)T點處的湍流度，以確定風洞箱內(nèi)的湍流度滿足實驗需求，在振動格柵的參與下， 使風場中上部湍流度得以加強，從而實現(xiàn)對大氣邊界層的模擬。
[0018] 建筑物T點距邊壁的最短距離不應小于試驗段寬度的15%;距頂壁的最短距離不 應小于試驗段高度的25% ;阻塞比宜不小于5%，最大不應超過8% ;從而提高測試的精確 度。
[0019] 為了實現(xiàn)變量的控制，格柵的形狀參數(shù)主要包括格柵條數(shù)N、格柵寬度B和格柵中 心孔邊長Cl，C2，其中，格柵形狀參數(shù)優(yōu)選選取如表1、表2所示。
[0023]以及表2
[0025] 其中，對于格柵厚度H，在風洞試驗中，格柵主要是通過對來流風的堵塞作用對風 場實現(xiàn)擾動而產(chǎn)生湍流，故格柵厚度H對風場尾流的影響可不予考慮。格柵振動頻率能夠增 大湍流強度的同時也增大了流場隨時間的波動性，且其對湍流度增加的幅度也隨頻率的增 加而減小，故格柵振動頻率不宜過大。而格柵的振動頻率對試驗截面流場分布影響不大，其 僅對流場湍流強度值的大小有較大的影響。不同振幅對流場的影響與格柵振動頻率對流場 的影響規(guī)律類似，均不宜有過大的振幅從而導致波動幅度過大。但改變振幅對流場湍流度 的提高仍不可忽視，其能夠?qū)崿F(xiàn)流場湍流強度提高而速度不發(fā)生改變的規(guī)律對流場調(diào)試有 很大的幫助。
[0026] 本發(fā)明具體原理包括:在大氣邊界層風場模擬中，除了振動格柵以外，尚需增加尖 劈和粗糙元等輔助裝置實現(xiàn)大氣邊界層模擬。以規(guī)范規(guī)定四類地貌風特性剖線為基準，尖 劈和粗糙元能夠使風場在中下部產(chǎn)生符合規(guī)范規(guī)定的風剖面和湍流強度廓線，本發(fā)明在振 動格柵的參與下，使風場中上部湍流度得以加強，從而實現(xiàn)對大氣邊界層的模擬。
[0027] 具體地，
[0028] (1)增加格柵寬度能夠增強流場湍流強度，但格柵寬度過大，流場湍流強度不均 勻，而格柵寬度過小，湍流強度分布輪廓近似格柵狀。故當需加強流場穩(wěn)定性或湍流強度值 時，可通過流場湍流度分布輪廓決定格柵寬度的調(diào)整范圍。而增加格柵數(shù)目對湍流強度的 大小影響不大，而能使速度值減小，但當格柵數(shù)目達到一定值時，風速不隨格柵數(shù)目改變而 改變。對于湍流強度和速度在空間上的分布，增加格柵數(shù)目能夠很好地改善流場均勻性，但 格柵數(shù)目不宜過大，避免出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。
[0029] (2)增加格柵振動頻率和振幅對流場湍流度和速度的影響很相似，這兩種方法均 能使湍流強度增加，但同時也使流場隨時間變化的波動幅度增大，而其對速度的影響除了 波動性增大以外沒有其他明顯的影響。故在格柵運動參數(shù)選取中，頻率與振幅選取不宜過 大，避免流場隨時間變化的波動幅度過大。
[0030] (3)在振動格柵尾流中，湍流強度和速度在各截面的分布迅速變得均勻，其變均勻 所需風程約為風洞寬度和高度中的較小值。在尾流分布均勻的流場內(nèi)，改變測點與格柵的 距離對湍流強度有很大的影響，其調(diào)控范圍達到7%_21%，而其相應波動性也增大，但仍處 于穩(wěn)定限定范圍以內(nèi)。
[0031] (4)湍流強度在時間和空間上的分布規(guī)律及分布值大小均與入流風速無關(guān)，入流 風速只改變流場中風速的大小，不改變流場中風速的分布規(guī)律。
[0032] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)所起到的有益效果包括：
[0033] 1、通過改變格柵尺寸，振動速度實現(xiàn)了對風場湍流強度的實時量化調(diào)控；
[0034] 2、振動格柵的往復運動，在孔洞處形成的射流與柵條后形成的尾流相互作用，能 在距格柵一定范圍內(nèi)形成可控紊流，從而加強湍流強度。
【附圖說明】
[0035] 圖1本發(fā)明一種可增強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振動格柵的示意圖；
[0036] 圖2本發(fā)明振動格柵的工作反饋流程圖；
[0037] 圖3本發(fā)明振動格柵示意圖，其中，格柵的形狀及參數(shù)主要包括格柵條數(shù)N、格柵寬 度B、格柵厚度H和格柵中心孔邊長Cl，C2。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合具體事例和附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，但是本發(fā)明的內(nèi)容不局限 于實施例。
[0039] 實施例1
[0040] 如圖1、3所示，一種可增強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振動格柵，包括：
[0041] -個風洞箱，風洞箱的其中兩個相對面為中空，格柵設置在風洞箱內(nèi)，來流風可穿 過該格柵，其中，格柵與電機相連，通過電機驅(qū)動改變振動格柵的振動速度，實現(xiàn)格柵條在 風洞箱內(nèi)的振動。
[0042] 實施例2
[0043] 如圖1、3所示，一種可增強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振動格柵，包括：
[0044] -個風洞箱，風洞箱的其中兩個相對面為中空，格柵設置在風洞箱內(nèi)，來流風可穿 過該格柵，其中，格柵與電機相連，通過電機驅(qū)動改變振動格柵的振動速度，實現(xiàn)格柵條在 風洞箱內(nèi)的振動。
[0045] 風洞箱為長方體或者正方體，在風洞箱的頂部和底部設置軌道，且風洞箱通過與 電機相連，在電機驅(qū)動下，使得沿著軌道作往復運動。
[0046] 實施例3
[0047] 如圖1、3所示，在實施例2的一種可增強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振動格柵 基礎上，格柵的形狀參數(shù)主要包括格柵條數(shù)N、格柵寬度B和格柵中心孔邊長Cl，C2，其中，格 柵形狀參數(shù)選取如下所示：
[0049] 以及
[0051 ] 實施例4
[0052]如圖1、2和3所示，使用實施例3的一種可增強大氣邊界層風洞湍流度的主動型振 動格柵，根據(jù)來流風情況，啟動電機，通過與電機改變振動格柵的振動速度，實現(xiàn)格柵條在 風洞箱內(nèi)的振動;并在電機驅(qū)動下，沿著軌道作往復運動;通過實時監(jiān)測風洞箱內(nèi)T點處的 湍流度，以確定風洞箱內(nèi)的湍流度滿足實驗需求，在振動格柵的參與下，使風場中上部湍流 度得以加強，從而實現(xiàn)對大氣邊界層的模擬，通過改變格柵尺寸，振動速度實現(xiàn)了對風場湍 流強度的實時量化調(diào)控。
[0053]建筑物T點距邊壁的最短距離不應小于試驗段寬度的15 %;距頂壁的最短距離不 應小于試驗段高度的25% ;阻塞比宜不小于5%，最大不應超過8% ;從而提高測試的精確 度。
[0054]選擇上述對應格柵參數(shù)，頻率、振幅、入流風速參數(shù)如下所示：
[0058] 模擬結(jié)果顯示，本發(fā)明的主動型振動格柵可以增加湍流度（大約增幅為7%~ 30%)〇
[0059] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的 保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種可增強大氣邊界層風桐端流度的主動型振動格柵，其特征在于，包括:一個風桐 箱，風桐箱的其中兩個相對面為中空，格柵設置在風桐箱內(nèi)，來流風可穿過該格柵，其中，格 柵與電機相連，通過電機驅(qū)動改變振動格柵的振動速度，實現(xiàn)格柵條在風桐箱內(nèi)的振動。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的主動型振動格柵，其特 征在于，優(yōu)選格柵的柵條采用矩形截面的形式。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的主動型振動格柵，其特 征在于，優(yōu)選格柵寬度分別取0.35m、0.25m、0.15m和0.05m。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的主動型振動格柵，其特 征在于，格柵橫豎條數(shù)分別為7*10、6*8、5*6和4*4。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的主動型振動格柵，其特 征在于，風桐箱為長方體或者正方體。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的主動型振動格柵，其特 征在于，在風桐箱的頂部和底部設置軌道，且風桐箱通過與電機相連，在電機驅(qū)動下，沿著 軌道作往復運動。7. -種可增強大氣邊界層風桐端流度的方法，其特征在于，使用前述權(quán)利要求1-6任 一權(quán)利要求所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的主動型振動格柵。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的方法，其特征在于，具體 方法包括:根據(jù)來流風情況，啟動電機，通過與電機改變振動格柵的振動速度，實現(xiàn)格柵條 在風桐箱內(nèi)的振動;并在電機驅(qū)動下，沿著軌道作往復運動;通過實時監(jiān)測風桐箱內(nèi)T點處 的端流度，W確定風桐箱內(nèi)的端流度滿足實驗需求，在振動格柵的參與下，使風場中上部端 流度得W加強，從而實現(xiàn)對大氣邊界層的模擬。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的方法，其特征在于，建筑 物T點距邊壁的最短距離不應小于試驗段寬度的15%;距頂壁的最短距離不應小于試驗段 高度的25% ;阻塞比宜不小于5%，最大不應超過8%。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種可增強大氣邊界層風桐端流度的方法，其特征在于，格 柵的形狀參數(shù)主要包括格柵條數(shù)N、格柵寬度B和格柵中屯、孔邊長Cl, C2,其中，格柵形狀參 數(shù)選取如下：W及
【文檔編號】G01M9/04GK105910793SQ201610420787
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月12日
【發(fā)明人】林坤, 劉紅軍, 黃勤, 柴華, 魏芬洋
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院