專利名稱：改進(jìn)的全景豎直風(fēng)洞的制作方法
改進(jìn)的全景豎直風(fēng)洞本發(fā)明涉及具有觀察設(shè)備的豎直風(fēng)洞，該風(fēng)洞的新的結(jié)構(gòu)、形狀和設(shè)計 特征滿足其特別構(gòu)建有最大安全性和有效性的目的。更具體地，本發(fā)明涉及一種設(shè)計為在豎直區(qū)段運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)洞，也就是說， 由合適的裝置產(chǎn)生的氣流在位于該風(fēng)洞端部的豎直區(qū)段相遇，所述氣流在該 豎直區(qū)段能夠提升物體。同時，由于所述風(fēng)洞由透明材料制成，從外部可以 觀察所述提升效果。在所述管道內(nèi)對物體的觀察和提升允許對物體進(jìn)行顯示 和測量。本發(fā)明為現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)，改進(jìn)之處在于-最優(yōu)化了所述管道的幾何特征；-所述管道的結(jié)構(gòu)的形式；-所述管道內(nèi)空氣推進(jìn)器的位置。本發(fā)明的另一目的是允許所述管道的安裝用于娛樂的目的，這樣，公眾 可以享受在所述豎直區(qū)段中提升物體或人體的樂趣，從而以査看物體如何被 提升起來，并體驗(yàn)這種新的感覺。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)是所述管道不同區(qū)段的幾何和空間設(shè)計，首先用于通 過產(chǎn)生氣流的最小推進(jìn)器消耗量實(shí)現(xiàn)最大的性能，其次所述推進(jìn)器設(shè)置在所 述管道的外部。這意味著，所述推進(jìn)器不會與由該推進(jìn)器產(chǎn)生的氣流產(chǎn)生干 擾，避免與所述氣流的干涉而產(chǎn)生的負(fù)載損耗。該損耗又會產(chǎn)生紊亂，并使 通過電動機(jī)驅(qū)動所述推進(jìn)器的消耗增加。風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn)所需的動力還取決于其設(shè) 計。由于在相同的氣流和氣壓下，最優(yōu)化所述形狀會最終使該動力降低，因 而，將二者分開是不可能的。本發(fā)明由三個環(huán)狀的管道形成，所述三個管道在端部通過豎直區(qū)段彼此 結(jié)合。所述豎直區(qū)段優(yōu)選地由透明區(qū)段制成。所述環(huán)依次由不同的管道區(qū)段 形成，所述管道區(qū)段由對應(yīng)的夾具如螺釘和類似部件固定在一起。所述區(qū)段 中的三個包括推進(jìn)器，從外部通過對應(yīng)的電動機(jī)驅(qū)動所述推進(jìn)器，所述電動機(jī)的軸使用帶、鏈、減速器或相等的技術(shù)而連接于所述推進(jìn)器的軸。 所述風(fēng)洞所產(chǎn)生的模型主要構(gòu)建有以下部區(qū)段-飛行艙，該飛行艙是所述風(fēng)洞的豎直風(fēng)區(qū)段，飛行艙的使用者位于該 飛行艙內(nèi)，在所述飛行艙內(nèi)的位置，氣流達(dá)到最大速度；-三個回流通路，該三個回流通路包括一系列直的區(qū)段，該直的區(qū)段將 氣流從所述飛行艙的出口弓I導(dǎo)至相應(yīng)管道的入口 ，或以盡可能小的損耗進(jìn)行 壓縮；-來自所述飛行艙的三個壓縮管、區(qū)段，在該壓縮管中，所述氣流加速， 以最大速度進(jìn)入所述飛行艙。所述風(fēng)洞的技術(shù)設(shè)計著眼于幫助由推進(jìn)器及其電機(jī)產(chǎn)生的氣流集中于 一個區(qū)域；所述管接的下部區(qū)域，這樣，所述氣流的總和以及由該氣流產(chǎn)生 的壓力疊加在所述管道的接頭的下部區(qū)域中，形成向上的氣流，該向上的氣 流能夠在該豎直區(qū)域內(nèi)提升物體，并允許物體在該豎直區(qū)域內(nèi)移動。采取的實(shí)驗(yàn)和進(jìn)行的計算允許所述風(fēng)洞根據(jù)使用該風(fēng)洞的使用者的類 型而以兩種可能的方式運(yùn)行。-專家模式，在該專家模式中，氣流速度在飛行艙入口處達(dá)到70m/s， 在距離地面6m的高度處約為50m/s。這允許處于水平位置的使用者恒定保 持在該高度上，而且，當(dāng)速度為65m/s時，允許使用者保持在豎直位置。-非專家模式，在該非專家模式中，所述飛行艙入口處的最大速度達(dá)到 55m/s，在距離地面1.5m的高度處為50m/s。所述風(fēng)洞的最優(yōu)化通過該風(fēng)洞的空氣動力學(xué)性能而計算機(jī)仿真而實(shí)現(xiàn)。 這用有限元軟件進(jìn)行仿真，并允許對所述風(fēng)洞的每個部分進(jìn)行個性化的設(shè) 計。對每個區(qū)段都分析了不同的結(jié)構(gòu)，檢査每個區(qū)段內(nèi)部具有氣流時的性能， 以減少紊亂，并避免漩渦，特別是在所述設(shè)計的最彎曲的區(qū)段中。該最優(yōu)化 的結(jié)果是，使所述推進(jìn)器驅(qū)動所述風(fēng)洞所需的動力損耗降低，在該設(shè)計中確保較大裝置的可靠性的關(guān)鍵參數(shù)。市場中己有風(fēng)洞的不同類型和結(jié)構(gòu)，因而，這些結(jié)構(gòu)應(yīng)視為包括處于豎 直位置的實(shí)驗(yàn)艙的風(fēng)洞。然而，不能直接觀察內(nèi)部所發(fā)生的情況，因而這些 風(fēng)洞必須裝配有人工視頻裝備，以向外部顯示在豎直區(qū)段中所發(fā)生的情況。這通常用于所有形式的實(shí)驗(yàn)中，如空間探索公司(Sky Venture Inc)的歐洲 專利96919369.6，該專利公開并要求了一種"降落傘跳傘仿真器"，包括具 有空氣柱的豎直艙，該空氣柱能夠支撐飛行中的跳傘員，跳傘員裝備有視頻 投影屏和位于該豎直艙的豎直壁上的其他元件。Airflite公司的英國專利GB No. 2094162公開了一種基于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的懸 浮裝置(levitationarium)，用于使人體懸浮起來。該結(jié)構(gòu)內(nèi)部為腔室，該腔 室中具有由線性空氣導(dǎo)管形成的向上氣流，允許人位于內(nèi)部的格柵包括起飛 區(qū)域和具有周圍導(dǎo)管的另一降落區(qū)域，在該周圍導(dǎo)管中，人位于氣流的外部。最后，也構(gòu)成部分現(xiàn)有技術(shù)的由"自由落體仿真器"公開在專利 PCT2004/022427中，該"自由落體仿真器"包括位于下部區(qū)域的高壓艙， 所述下部區(qū)域具有用于布置在出現(xiàn)在中間管道的中間艙結(jié)構(gòu)中的數(shù)個通風(fēng) 設(shè)備的端部。通過下面參考附圖的描述，將表示出其他細(xì)節(jié)以及特征，所述附圖代表 本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，而且應(yīng)視為描述性的而不是對本發(fā)明的限定。 附圖中主要部件的詳細(xì)列表為10風(fēng)洞；11彎曲區(qū)段管道；12平臺；13脈沖管道；14排氣管道； 15夾具；16螺釘；17電動機(jī)；18減速器；19下管道接頭部件；20上管道接頭區(qū)段；21支柱；22透明板；23風(fēng)洞10的豎直區(qū)段；24通風(fēng) 設(shè)備；25空氣入口區(qū)段；26拐角；27輸出區(qū)段。
圖1為所有形成環(huán)的風(fēng)洞IO及其管道11、 13、 14以及上管道接頭區(qū)段 20和下接頭區(qū)域19的透視圖；圖2為表示所述管道11、 13和14的放射狀布局的風(fēng)洞10的頂視圖；圖3為具有1/3所述風(fēng)洞10的豎直區(qū)段23的所述管道11、 13或14的臂之一的透視圖；圖4為所述風(fēng)洞10中管道環(huán)20的正視圖。如圖1 (比例為1: 12.5的實(shí)體模型)所示，在本申請的優(yōu)選裝置中， 通過連接并組裝不同的管道以形成環(huán)28，從而制成風(fēng)洞10，所述環(huán)沿徑向 以約120°間隔開。有角的管道11以如下方式裝配上端通過合適的星形連 接件20固定，但下端11連接于圓柱驅(qū)動管道13，該驅(qū)動管道13內(nèi)部為電 動機(jī)17形成的驅(qū)動，所述電動機(jī)通過減速器18和帶或鏈動力地連接于相關(guān) 的風(fēng)機(jī)葉片24 (圖中未顯示)，所述帶或鏈將所述減速器軸連接于所述風(fēng)扇 軸，反過來又裝配在所述管道13、驅(qū)動管道14的下端，也沒有在以星形接 頭19連接1的圖中顯示。該設(shè)計還包括所述管道中的不同內(nèi)擋板(圖中未 顯示)，所述擋板位于所述飛行區(qū)域的上部區(qū)域和下部區(qū)域，詳細(xì)地說，位 于星形接頭19和20上，并位于所述返回管道11的端角處上，具有雙向氣 流。 一方面，通過改變空氣運(yùn)動的方向，這能避免在這些點(diǎn)處產(chǎn)生紊亂。另 一方面，位于風(fēng)洞豎直區(qū)段之下的擋板能夠改變飛行區(qū)域中的空氣速度的分 布，所述飛行區(qū)域設(shè)計為在該飛行區(qū)域中靠近壁的向上速度增大。這意味著， 飛行區(qū)域的中間區(qū)段靠近壁的保持力較大，因而，如果使用者無意中由于在 自由落體飛行中不夠熟練而向所述壁移動，則由于上述增大而產(chǎn)生的速度梯 度會使人回到風(fēng)洞的中心區(qū)域，從而減少了撞到壁的可能性。這種效果顯示 在圖3中。風(fēng)洞10的上部區(qū)段與下部區(qū)段(具體為區(qū)域20) —起，以及區(qū)域19 通過支柱21連接在一起，支柱21覆蓋透明板22，該透明板22將空氣入口 區(qū)段25連接于具有出口區(qū)段27的豎直區(qū)段23，界定出風(fēng)洞IO中的豎直區(qū) 段23。該豎直區(qū)段具有由兩個不同錐形產(chǎn)生管道形成的特定形狀。在實(shí)際比例裝置上的所述豎直區(qū)段的下部區(qū)段上(在0m至3m高之間)，所述錐形的 直徑從5m增大至5.4m，形成角度為3.81°的壁形成所述豎直面，同時，在 上部區(qū)段(在3m至8m之間)上，直徑從5.4m增大至7m，以9.09°形成 壁。風(fēng)洞的豎直區(qū)段的發(fā)散中的這種變化，使空氣速度的豎直分布改變，以 在專家模式中在理想的高度上實(shí)現(xiàn)70至50m/s之間的變化。由于內(nèi)部空氣 通道增大，從而使保持穩(wěn)定氣流所需的驅(qū)動動力增大，因而，如果沒有上述 安裝，則必然會相當(dāng)程度上增加愛其整體高度，從而使結(jié)構(gòu)和操作成本上升。風(fēng)洞10具有如表1所示的幾何形狀，其特征在于如下方面-所述管道的橫截面的形狀在所述風(fēng)洞的豎直區(qū)段為圓形，在所述上部 區(qū)段為橢圓形，在下部區(qū)段為圓形，在接頭區(qū)段19的開口處為120°的環(huán)形。-所述飛行艙或豎直區(qū)段23的入口區(qū)段25位于地平面，也就是說，高 度為Om，入口區(qū)段25由兩個截頭圓錐形管道形成，該兩個截頭圓錐形管道 具有不同的張角(張開程度)，上部錐形的張角大于下部錐形的張角。-在回流通路26中的彎曲區(qū)段11或拐角處于約為135°的角度。-所述回流通路沿其延伸長度的橫截面始終處于變化中。表l:計算機(jī)形成的所述設(shè)備的實(shí)際比例圖像。表2所示的風(fēng)洞IO中的動力，來自驅(qū)動位于管道13內(nèi)的風(fēng)扇24的電 動機(jī)17，該風(fēng)扇24驅(qū)動風(fēng)洞10內(nèi)部的空氣，產(chǎn)生壓縮氣流，并流向下接頭 區(qū)段19，在該下接頭區(qū)段19中，空氣的總和從由17和24的綜合作用驅(qū)動 的管道ll中流出，將空氣送到豎直區(qū)段23中，由于透明板22，從而可以看 到內(nèi)部以及內(nèi)部的物體和人，而不需要人工觀察設(shè)備。這允許所述板轉(zhuǎn)變?yōu)?便于上述物體出入的實(shí)際的門。<image>image see original document page 8</image>速度幅值分布(m/s) 2005年10月26日FLUENT 6.2 (3d，非耦合求解，ake)表2:在飛行艙(僅圖示有該飛行艙)中在地平面時在計算機(jī)仿真過程 中獲取的豎直速度值的代表參數(shù)?？梢姡诳拷谔帉?shí)現(xiàn)最大的速度。管道接頭ll、 13、 14，以及區(qū)段19和20，沿夾具15和具有對應(yīng)螺母 的螺釘16 (在附圖中沒有顯示)延伸，在需要的地方分散布置有壓力接頭， 從而產(chǎn)生具有較好性能的封閉管道，能降低能量損耗。用于實(shí)際比例裝置的耗能計算己經(jīng)有數(shù)字仿真完成，所述實(shí)際比例裝置 的飛行區(qū)域直徑為5m;表2表示某些最有意義的結(jié)果。作為比較，顯示了 開放風(fēng)洞(沒有回流)的能耗，在開放風(fēng)洞中，從外部直接采取空氣，將該 空氣豎直地向飛行區(qū)域驅(qū)動，然后釋放到大氣中。例如，該開放風(fēng)洞為上述空間探索公司(Sky Venture Inc)的歐洲專利96919369.6。風(fēng)洞模式能耗非專家模式 (v=50m/s)專家模式 (v=70m/s)開放風(fēng)洞(無回流)1.45MW3.98MW在20和11中具有擋板 的三臂風(fēng)洞1.18MW3.17MW在20、 11和19中具有擋板 的三臂風(fēng)洞(較差的結(jié)果)1.43MW3.83MW在20， 11和19中具有擋板 的三臂風(fēng)洞(最優(yōu)化的)0.60MW1.72 MW表3: 5m直徑的風(fēng)洞的運(yùn)行動力的計算。分析上述表3中的數(shù)據(jù)可知，在沒有數(shù)據(jù)仿真的情況下，難以預(yù)測風(fēng)洞 IO的性能。然而，本發(fā)明的目的的一種設(shè)計能夠節(jié)省驅(qū)動開放風(fēng)洞所需的動 力的50%。該種裝置的另一本質(zhì)的重要方面是，即便所述管道的形狀沒有變化，必 須假定空氣動力學(xué)原理的定律為非線性的，且所述裝置的性能可以隨著尺寸 的變化而改變，才能對實(shí)際比例的所述裝置進(jìn)行仿真。上述尺寸變化的重要 結(jié)果可見于損耗的動力，該能耗隨所述裝置尺寸的變化而發(fā)生明顯地改變。所有封閉風(fēng)洞(在封閉風(fēng)洞中，空氣為重復(fù)循環(huán)以節(jié)省驅(qū)動動力)的共 有特征是，空氣與壁的摩擦作用使空氣加熱，而不適于風(fēng)洞的持續(xù)運(yùn)行。然 而，在模型中，可以忽略該摩擦作用。在實(shí)際尺寸的裝置中，假設(shè)在驅(qū)動過 程中用相當(dāng)大的動力驅(qū)動空氣，而且，空氣的溫度變化十分顯著，特別是當(dāng) 外部空氣溫度較高時，則不能忽略所述摩擦作用?？諝獾募訜崾箍諝獾拿芏?變小，在圖示的裝置中，因而這意味著，除了由溫度升高帶來的麻煩之外， 支撐使用者的力下降。為了防止所述裝置中的這些不利因素，使用熱的良導(dǎo)體材料如鋁制造彎曲管道ll，而且設(shè)置有圍繞彎曲管道的冷卻套管，以從外 部冷卻裝置循環(huán)冷卻水。而且，區(qū)段20、 11和19中的擋板由鋁或類似的熱 的良導(dǎo)體材料制成，且內(nèi)置有孔，以從內(nèi)部循環(huán)冷卻水，用作附加的熱交換 器。所做的計算表明，在具有合適的冷卻動力的非理想狀態(tài)下(也就是說外部溫度為3(TC)，風(fēng)洞的豎直區(qū)段或飛行區(qū)域中的溫度在非專家模式的27°C 和專家模式的33C之間變化，這視為適于所述裝置的運(yùn)行。通過附圖已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了充分的描述，容易理解的是，可以做出認(rèn) 為合適的任何改變，只要該改變沒有改變概括在附屬的權(quán)利要求中的本發(fā)明 的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種具有觀察設(shè)備的豎直風(fēng)洞，所述風(fēng)洞包括接收壓力氣流的腔室，所述壓力氣流優(yōu)選地由相應(yīng)的電動機(jī)驅(qū)動的風(fēng)扇作用而產(chǎn)生，其特征在于，風(fēng)洞(10)以下述方式形成，即通過將管件以彼此間隔約120°的放射狀布局連接起來而形成管道或環(huán)(28)，成角度布置的管道(11)的一端裝配于星形連接件(20)，同時下端連接于圓柱形驅(qū)動管道(13)，空氣驅(qū)動管道(13)安裝于會聚在星形連接件(19)的下端，使用容納著透明板(22)的支柱(21)將連接件(20和19)連接，從而限定出所述風(fēng)洞(10)的豎直區(qū)段(23)，在所述風(fēng)洞(10)的內(nèi)部具有管道(13)，用于將空氣驅(qū)動至所述風(fēng)洞的豎直區(qū)段(23)的下部區(qū)域。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有觀察設(shè)備的豎直風(fēng)洞，其特征在于，空 氣在所述管道(13)內(nèi)部由機(jī)械連接于外部裝置的風(fēng)扇(24)驅(qū)動。
3. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的具有觀察設(shè)備的豎直風(fēng)洞，其 特征在于，用于所述風(fēng)扇(24)的外部驅(qū)動裝置為電動機(jī)(17)和通過鏈或 帶連接于所述風(fēng)扇軸(24)的減速器(18)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有觀察設(shè)備的豎直風(fēng)洞，其特征在于，所 述風(fēng)洞具有由如下方面限定的幾何結(jié)構(gòu)-所述管道在所述風(fēng)洞豎直區(qū)段(23)的橫截面形狀為圓形，在所述上 部區(qū)段為橢圓形，在所述下部區(qū)段為圓形，在接頭區(qū)段的開口處為120°的 環(huán)形；-所述飛行艙或豎直區(qū)段(23)的入口區(qū)段(25)位于地平面，其高度 為Om，入口區(qū)段(25)由兩個截頭圓錐形管道形成，該兩個截頭圓錐形管 道具有不同的張角，上部錐形的張角大于下部錐形的張角；-在回流通路(26)中的彎曲區(qū)段(11)或拐角約為135°的角度； -所述回流通路的橫截面沿其整個延伸長度變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種設(shè)計為在豎直區(qū)段運(yùn)轉(zhuǎn)的風(fēng)洞，也就是說，由合適的裝置產(chǎn)生的氣流在位于該風(fēng)洞端部的豎直區(qū)域相遇，所述氣流能夠在該豎直區(qū)域中提升物體。同時，由于該風(fēng)洞由透明材料制成，能夠從外部觀察所述提升效果。在該裝置中對物體的觀察和提升允許對物體進(jìn)行顯示和測量。
文檔編號B64D23/00GK101228070SQ200680015184
公開日2008年7月23日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者M·A·塞拉諾佩利塞爾 申請人:沃拉爾賽公司