用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，由上部擾動器和下部收風盒組成，擾動器通過連接桿與收風盒連接，上部擾動器分左右兩部分，左側(cè)末端為蓋板，右側(cè)為可調(diào)節(jié)角度的格柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)末端為一方型重物。上部擾動器可以產(chǎn)生更多的漩渦，從而增加湍流強度，不需要外部能量輸入。由于精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計僅靠風洞里的風能就能驅(qū)動，在應(yīng)用時，可以調(diào)節(jié)重物質(zhì)量的大小來滿足不同風速條件下的需求。
【專利說明】
用于風洞底部湍流強度増強的粗糙元
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本專利應(yīng)用于風洞試驗領(lǐng)域，應(yīng)用粗糙元來改善大氣邊界層模擬的精度，特別涉 及用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，高層、大跨結(jié)構(gòu)以及一些造型新奇的建筑越來越受人們的 追捧。而這些結(jié)構(gòu)往往都是風敏感的結(jié)構(gòu)，建筑風荷載的設(shè)計都必須經(jīng)過風洞試驗來確定。 大氣邊界層的模擬作為風洞試驗的重要組成部分，其模擬效果將對確定建筑風荷載的準確 度產(chǎn)生極大的影響。
[0003] 大氣邊界層的模擬，主要是對平均風速剖面、近地湍流的模擬。針對如模擬大氣邊 界層這一領(lǐng)域，當前國內(nèi)外學者已經(jīng)開展了大量的研究并取得了豐富的研究成果，對于平 均風速剖面的模擬已經(jīng)較為精確了；而對于底部湍流的模擬尤其的如何增大底部湍流強 度，當前并未開展充分有效的研究。對于建筑結(jié)構(gòu)來說，風荷載最有分析價值的部分就是湍 流與建筑結(jié)構(gòu)相耦合所產(chǎn)生的效應(yīng)。如果能精確模擬湍流，將會得到更加精確的建筑結(jié)構(gòu) 的風荷載響應(yīng)。
[0004] 當前對大氣邊界層的模擬主要分主動模擬和被動模擬。被動模擬，通常采用尖劈 加粗糙元或者格柵結(jié)構(gòu)加粗糙元的形式;主動模擬，主要采用振動格柵結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)尖劈加粗 糙元進行模擬;粗糙元主要采用的是立方體。這種模擬方式對于下部湍流的模擬效果不好， 尤其是湍流的強度。雖然采用主動模擬的振動尖劈、振動格柵結(jié)構(gòu)對于湍流強度有所提升， 但是由于尖劈、格柵距離試驗?zāi)Ｐ洼^遠，湍流強度在到達模型之前衰減較多，致使下部的湍 流強度仍然很弱。
[0005] 粗糙元由于很靠近建筑模型，對于湍流的模擬效果較為顯著。然而，傳統(tǒng)的粗糙元 都是采用被動模擬的方法，對于湍流強度的增強并不明顯。
[0006] CN101377447A公開了一種旋出式風洞可變粗糙元裝置，其包括:多個粗糙元、開孔 平板、下平板(或框架)和鉸鏈四個主要部件。其特征是:粗糙元形狀為四分之一圓柱段，該 粗糙元的一個直邊鉸接在開孔平板上，另一個直邊鉸接在置于開孔平板之下與之平行的下 平板(或框架)上;開孔平板與風洞底板平齊固定安裝，下平板(或框架）向一個方向移動就 使粗糙元從開孔板的上表面旋出，通過改變下平板的移動量來改變粗糙元的旋出量，從而 改變整個開孔板的粗糙度，在風洞中可形成各類模擬大氣邊界層的近地面氣流。該裝置可 以簡單快速地實現(xiàn)粗糙元高度的無級調(diào)節(jié)。
[0007] CN204882029U公開了一種大比例和高湍流的風場布置結(jié)構(gòu)。它包括在洞體地面橫 向間隔均勻布置的數(shù)個豎向尖劈;在尖劈的底部固連有一塊鋸齒擋板，在尖劈的中上部固 連有另一塊橫向擋板;在尖劈與風洞試驗段的轉(zhuǎn)盤之間設(shè)有數(shù)排粗糙元，粗糙元為三種不 同大小的正方體，根據(jù)試驗要求進行大小、稀密不同的粗糙元布置變換;在轉(zhuǎn)盤中心垂直上 方設(shè)置有三維脈動風速儀，三維脈動風速儀固定在升降儀的橫桿上，三維脈動風速儀的探 頭離地10cm，正對來流方向，升降儀布置在洞體的一側(cè)邊上;所述三維脈動風速儀與數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)連接。
[0008] 已知現(xiàn)有技術(shù)存在以下問題：
[0009] 1.被動模擬的尖劈、格柵結(jié)構(gòu)對于下部湍流強度的模擬效果不好；
[0010] 2.主動模擬的振動尖劈、振動格柵結(jié)構(gòu)由于距離模型過遠，對于靠近模型部分的 湍流強度增加不明顯；
[0011] 3.傳統(tǒng)采用立方體的粗糙元對于增加湍流強度的效果不佳。
[0012] 4.現(xiàn)行的主動模擬如振動尖劈等需要外部能源輸入，建造起來較為復(fù)雜，也不易 維護。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，為了增加風洞下部的湍流強度，本實用新型提供了用 于風洞底部湍流強度增強的粗糙元。粗糙元上的機械結(jié)構(gòu)對風場施加擾動，可以在傳統(tǒng)粗 糙元機理下更進一步增強風場下部的湍流強度。這種可動的粗糙元不需要外部能量的輸 入，僅靠風洞內(nèi)的風能就可實現(xiàn)。
[0014] 優(yōu)選地，本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：本實用新型的用于風洞底部湍流強度 增強的粗糙元，其特征在于，由上部擾動器和下部收風盒組成，擾動器通過連接桿與收風盒 連接，上部擾動器分左右兩部分，左側(cè)末端為蓋板，右側(cè)為可調(diào)節(jié)角度的格柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)末 端為一方型重物。
[0015] 其中，優(yōu)選所述連接桿與收風盒垂直連接，其高度范圍為5-l〇Cm。
[0016] 進一步優(yōu)選方案包括上部擾動器分左右兩部分，擾動器上下擺動角度范圍為土 40-50度。
[0017] 進一步優(yōu)選方案包括該重物為一方型盒子，盒子中間可加填砝碼，以調(diào)節(jié)擾動效 果。
[0018] 進一步優(yōu)選方案包括左側(cè)末端蓋板優(yōu)選為可開合的格柵結(jié)構(gòu)組成，左側(cè)格柵小窗 板與蓋板夾角約為45度。
[0019] 進一步優(yōu)選方案包括右側(cè)蓋板前部為格柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)格柵小窗板與蓋板夾角為-45度，而末端2-4cm段不設(shè)格柵結(jié)構(gòu)，為封閉狀態(tài)。
[0020] 進一步優(yōu)選方案包括下部收風盒優(yōu)選為錐形體，具體尺寸可以根據(jù)風洞大小修 改，錐形體的進風口優(yōu)選為方形，邊長約為5cm。
[0021] 進一步優(yōu)選方案包括該錐形體出風口的具體尺寸可以根據(jù)風洞大小修改，保證出 風口的邊長或直徑至少為方形進風口邊長的四分之一，優(yōu)選為邊長為1.25cm的方形口或者 直徑為1.25cm的圓形口。
[0022] 上部擾動器上下擺動時會對風場施加擾動，產(chǎn)生豎直方向上的漩渦，漩渦隨著擾 動器的運動而周期性脫落以模擬大氣邊界層的湍流，從而增加風洞下部湍流強度。
[0023] 本實用新型的粗糙元不需要外部能量輸入，僅靠內(nèi)部風能就可驅(qū)動。
[0024] 本實用新型進一步提供一種增加湍流強度的方法，其使用前述的用于風洞底部湍 流強度增強的粗糙元。具體地包括：
[0025]風從進風口吹入，經(jīng)過收風盒的處理風速加大變成豎向的風，把擾動器右側(cè)吹起 同時左側(cè)下落，左側(cè)下落的蓋板，蓋住進風口使右側(cè)不再有豎向的風吹出；在右側(cè)重物的帶 動下，右側(cè)下落同時左側(cè)蓋板升起，進風口繼續(xù)進風形成循環(huán)，對風場中施加反復(fù)擾動，打 亂來流增加底部湍流強度。
[0026]擾動器運動起來的可能性由伯努利方程給以理論支持：
[0028] V1:進風口風速既風洞底部風速
[0029] V2:出風口風速
[0030] a:進風口邊長
[0031 ] 可以看出出風口處的風速約是進風口的5.1倍，風速提升的很明顯。
[0033]丹少2:分別表示出風口的吹力和重物下落時要克服的阻力
[0034] V:表示底部風速
[0035]只要重物Μ滿足一下關(guān)系：
[0036] P2〈Mg〈Pi
[0037] 就可以保證擾動的正常運動。
[0038] 若底部風速為lOm/s，則Μ取值范圍在31.37g和80g之間；若底部風速為20m/s，則Μ 取值范圍在125.5g和320g之間。
[0039] 具體說來，將粗糙元的運動大致分為兩種狀態(tài):開口進風狀態(tài)和閉口下落狀態(tài)。
[0040] 開口進風狀態(tài)：
[0041] 當蓋板打開時風從進風口吹入，經(jīng)過收風盒，由于狹壁效應(yīng)風從出風口出來時風 速變大，把帶有重物的右端板吹起。此外，水平方向上風也會給右側(cè)板一個向上吹起的力； 而左側(cè)板以及蓋板，為了減小風阻力，在板上設(shè)計了格柵結(jié)構(gòu)，旨在保證擾動器運動到不需 要阻力的位置能讓風通過，不產(chǎn)生阻力。當重物被吹起到超過水平位置時，水平向的風會吹 向左側(cè)板，此時的風已經(jīng)不能從左側(cè)格柵處吹過從而給左側(cè)板一個向下運動的力，進一步 帶動右側(cè)重物抬起同時左側(cè)蓋板下落，而右側(cè)格柵的方向運動到剛好可以使風通過的位 置，不會產(chǎn)生阻礙重物抬起的阻力。格柵結(jié)構(gòu)的存在，保證水平風對擾動器的荷載都是有利 于把右側(cè)重物吹起的。
[0042] 閉口下落狀態(tài)：
[0043] 左側(cè)蓋板完全蓋住進風口時，不再有豎向風吹起。擾動器會在右側(cè)重物自由落體 運動的帶動下運動:右側(cè)重物下落左側(cè)蓋板升起。雖然此時會漸漸有豎向風吹出，但是重物 仍會在慣性力的作用下到達底部。進風口完全打開，產(chǎn)生豎向風把右側(cè)重物吹起同時左側(cè) 蓋板落下，形成循環(huán)。
[0044] 本實用新型所提供的一種粗糙元，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：
[0045] 1.粗糙元結(jié)構(gòu)本身為鈍體，與普通粗糙元功能相同；同時，上部擾動器可以產(chǎn)生更 多的漩渦，從而增加湍流強度；
[0046] 2.雖然本粗糙元是通過對風場的擾動產(chǎn)生周期性的湍流風，但是并不需要外部能 量輸入，由于精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計僅靠風洞里的風能就能驅(qū)動；
[0047] 3.粗糙元上的格柵以及方型的重物都可以進一步的打亂風場產(chǎn)生漩渦從而增大 湍流強度；
[0048] 4.粗糙元距離試驗?zāi)Ｐ途嚯x較近，產(chǎn)生的湍流強度不易損失；
[0049] 5.在應(yīng)用時，可以調(diào)節(jié)重物質(zhì)量的大小來滿足不同風速條件下的需求。
【附圖說明】
[0050] 圖1，本實用新型用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元(開口進風狀態(tài))的前視圖
[0051] 圖2,本實用新型用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元(開口進風狀態(tài)）的立體示 意圖
[0052]圖3,本實用新型用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元（閉口下落狀態(tài)）的立體示 意圖
[0053]圖4,本實用新型一種多個自激勵式擾動粗糙元(開口進風狀態(tài))排列的立體示意 圖
【具體實施方式】
[0054] 下面結(jié)合實施例和附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但實用新型的實施方 式不限于此。
[0055] 實施例1
[0056]如圖1、2和3所示，用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，由上部擾動器和下部收 風盒組成，擾動器通過連接桿與收風盒連接，上部擾動器分左右兩部分，左側(cè)末端為蓋板， 右側(cè)為可調(diào)節(jié)角度的格柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)末端為一方型重物。
[0057]連接桿與收風盒垂直連接，其高度為5cm，收風盒邊長約為5cm〇
[0058] 優(yōu)選上部擾動器分左右兩部分，擾動器上下擺動角度為±40度。右側(cè)蓋板末端2cm 段不設(shè)格柵結(jié)構(gòu)，為封閉狀態(tài)。
[0059]左側(cè)末端為蓋板優(yōu)選為可開合的格柵結(jié)構(gòu)組成，左側(cè)小窗板與蓋板夾角約為45 度，右側(cè)小窗板與蓋板夾角為-45度。
[0060]下部收風盒優(yōu)選為錐形體，錐形體的進風口優(yōu)選為方形。
[0061 ] 實施例2
[0062]如圖1、2和3所示，用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，由上部擾動器和下部收 風盒組成，擾動器通過連接桿與收風盒連接，上部擾動器分左右兩部分，左側(cè)末端為蓋板， 右側(cè)為可調(diào)節(jié)角度的格柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)末端為一方型重物。
[0063]連接桿與收風盒垂直連接，其高度為6cm，收風盒邊長約為5cm〇
[0064] 優(yōu)選上部擾動器分左右兩部分，擾動器上下擺動角度為±50度。右側(cè)蓋板末端4cm 段不設(shè)格柵結(jié)構(gòu)，為封閉狀態(tài)。
[0065]左側(cè)末端為蓋板優(yōu)選為可開合的格柵結(jié)構(gòu)組成，左側(cè)小窗板與蓋板夾角約為45 度，右側(cè)小窗板與蓋板夾角為-45度。
[0066] 下部收風盒優(yōu)選為錐形體，錐形體的進風口優(yōu)選為方形。
[0067] 優(yōu)選該重物為一方型盒子，中間可加填砝碼以調(diào)節(jié)擾動效果。
[0068] 實施例3
[0069] 如圖1、2和3所示，用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，由上部擾動器和下部收 風盒組成，擾動器通過連接桿與收風盒連接，上部擾動器分左右兩部分，左側(cè)末端為蓋板， 右側(cè)為可調(diào)節(jié)角度的格柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)末端為一方型重物。
[0070] 連接桿與收風盒垂直連接，其高度為5cm，收風盒邊長約為5cm〇
[0071] 優(yōu)選上部擾動器分左右兩部分，擾動器上下擺動角度為±50度。右側(cè)蓋板末端4cm 段不設(shè)格柵結(jié)構(gòu)，為封閉狀態(tài)。
[0072]左側(cè)末端為蓋板優(yōu)選為可開合的格柵結(jié)構(gòu)組成，左側(cè)小窗板與蓋板夾角約為45 度，右側(cè)小窗板與蓋板夾角為-45度。
[0073] 下部收風盒優(yōu)選為錐形體，錐形體的進風口優(yōu)選為方形。
[0074] 該重物為一方型盒子，中間可加填砝碼以調(diào)節(jié)擾動效果。
[0075]實施例4 一種增加湍流強度的方法
[0076]如圖4所示，使用前述實施例1-3任一方案的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙 元。具體地包括：
[0077]風從進風口吹入，經(jīng)過收風盒的處理風速加大變成豎向的風，把擾動器右側(cè)吹起 同時左側(cè)下落，左側(cè)下落的蓋板，蓋住進風口使右側(cè)不再有豎向的風吹出；在右側(cè)重物的帶 動下，右側(cè)下落同時左側(cè)蓋板升起，進風口繼續(xù)進風形成循環(huán)，對風場中施加反復(fù)擾動，打 亂來流增加底部湍流強度。
[0078]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所做的進一步詳細的說明，但 是不表示本實用新型的具體實施是局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或是替換，都 應(yīng)視為屬于本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，其特征在于，由上部擾動器和下部收風盒組 成，擾動器通過連接桿與收風盒連接，上部擾動器分左右兩部分，左側(cè)末端為蓋板，右側(cè)為 可調(diào)節(jié)角度的格柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)末端為一方型重物。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，其特征在于，連接桿與 收風盒垂直連接，其高度范圍為5-10cm〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，其特征在于，優(yōu)選上部 擾動器分左右兩部分，擾動器上下擺動角度范圍為± 40-50度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，其特征在于，優(yōu)選該重 物為一方型盒子，盒子中間可加填砝碼。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，其特征在于，左側(cè)末端 蓋板優(yōu)選為可開合的格柵結(jié)構(gòu)組成，左側(cè)格柵小窗板與蓋板夾角約為45度。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，其特征在于，右側(cè)蓋板 前部為格柵結(jié)構(gòu)，右側(cè)格柵小窗板與蓋板夾角為-45度，而末端2-4cm段不設(shè)格柵結(jié)構(gòu)，為封 閉狀態(tài)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，其特征在于，下部收風 盒優(yōu)選為錐形體，具體尺寸可以根據(jù)風洞大小修改，錐形體的進風口優(yōu)選為方形，邊長約為 5cm〇8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于風洞底部湍流強度增強的粗糙元，其特征在于，該錐形體 出風口的具體尺寸可以根據(jù)風洞大小修改，保證出風口的邊長或直徑至少為方形進風口邊 長的四分之一，優(yōu)選為邊長為1 · 25cm的方形口或者直徑為1 · 25cm的圓形口。
【文檔編號】G01M9/04GK205642792SQ201620302533
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】林坤, 劉紅軍, 黃勤, 管箐, 郭開元
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院