一種基于智能互動平臺的風洞的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于智能互動平臺的風洞，包括風洞本體和測量系統，所述風洞本體為直流式，由穩定段、收縮段、試驗段、擴散段以及風機段依次連接組成；所述測量系統包括電子傳感器、Arduino板、轉接板和傳輸數據面包線，轉接板將每個電子傳感器的正極、負極和時鐘信號連接至Arduino板的相應端口，跨接線將電子傳感器的順序端口依次連接至Arduino板相應的模擬輸入端口，Arduino板連接計算機的USB接口，實現數據的傳輸；電子傳感器與被測模型內表面固定層相連接，數據傳輸面包線與轉接板相連。本發明有助于建筑師理解復雜的城市風環境現象及其對建筑性能的影響，在設計初期階段及早發現和解決設計問題，對設計提升建筑性能和能源效率具有指導性意義。
【專利說明】
一種基于智能互動平臺的風洞
技術領域
[0001]本發明主要涉及風環境模擬領域，具體是一種基于智能互動平臺的風洞。
【背景技術】
[0002]理解高密度城市環境中的空氣流動現象對建筑和城市設計而言是至關重要的，風在城市中的流動與擴散決定了環境的空氣質量、建筑物風壓、城市熱島效應以及行人舒適度。現有的研究建筑風環境的方法基本可以分為兩類:風洞實驗及數值模擬，兩種方法各有利弊。其中，風洞實驗能夠真實地模擬城市語境下的風環境現象，準確而有效地測量出相關數據。但是，傳統工業級風洞的造價及運營成本過于昂貴且需要專業人員協助進行操作，因此風洞實驗并不能在建筑設計領域普及。
[0003]目前，針對空氣動力性能的風洞實驗通常在設計中后期一一即總體幾何形態已經初步確定的階段進行。在此背景下，風洞實驗多數由專門的技術人員操作，用于評估已有設計，驗證已成型的建筑方案的可行性。但是，很多重要的影響建筑性能的設計決策都來自于設計初期階段。同時，風對于建筑的作用力，也很大程度上取決于建筑的基本形態與布局。因此在建筑設計初期階段，分析城市風環境顯得尤為重要，建筑師需要測試并驗證多種可能的設計選擇，并得到設計方案實時反饋的性能數據。
[0004]綜上所述，研發一種成本低、可達性強，適用于建筑設計初期階段，能夠直觀且定性地模擬風對建筑群分布及建筑形態的影響的風洞極有必要。
【發明內容】
[0005]本發明提供了一種基于智能互動平臺的風洞，通過較低的成本搭建操作簡單、成本可控、流場穩定、測量精度滿足建筑初期設計需求的物理風洞，以便進行建筑風環境模擬、數據測量以及性能反饋。
[0006]本發明所提供的一種基于智能互動平臺的風洞，包括風洞本體和測量系統，其中:所述風洞本體為直流式，由穩定段、收縮段、試驗段、擴散段以及風機段依次連接組成；
穩定段由第一腔壁和嵌于第一腔壁內的整流裝置構成;收縮段由第二腔壁構成;試驗段由第三腔壁、觀察門裝置、圓盤裝置、照明燈管、泡沫粗糙元和被測模型構成，所述圓盤裝置位于第三腔壁底部，被測模型放置于圓盤裝置之上，觀察門裝置位于第三腔壁側，照明燈管位于第三腔壁頂部轉角處，泡沫粗糙元位于被測模型上風段第三腔壁內壁底部;擴散段由第四腔壁、風扇開關裝置以及電子調速器構成;風機段由第五腔壁和風機裝置構成;所述測量系統包括電子傳感器、Arduino板、轉接板和傳輸數據面包線，轉接板將每個電子傳感器的正極、負極和時鐘信號連接至Arduino板的相應端口，跨接線將電子傳感器的順序端口依次連接至Arduino板相應的模擬輸入端口，Arduino板連接計算機的USB接口，實現數據的傳輸；電子傳感器通過螺絲與被測模型內表面留有螺絲孔的固定層相連接，數據傳輸面包線依次連接相應的電子傳感器的排針端口，穿過被測模型與圓盤裝置預留的走線孔洞，在試驗段下方與轉接板相連。
[0007]本發明中，轉接板設有三縱列，每一縱列有二十四排，每一單排有5個插口，其中4個分別代表正極、負極、時鐘信號和序列信號，第5個插口則由跨接線依次連接至Arduino板的模擬輸入端，實現從電子傳感器到板的數據傳輸。
[0008]本發明中，第一腔壁由鋁合金結構框架和鋁合金側壁連接而成。
[0009]本發明中，整流裝置由十字型固定框架和金屬絲網連接而成，金屬絲網采用三層紗網組合，金屬絲網張緊后由固定框架從兩側壓緊固定。
[0010]本發明中，第二腔壁由鋁合金結構框架和木質側壁連接而成，木質側壁由若干塊復合木板貼合而成，收縮段整體呈縮放式喇叭形，復合木板間接縫通過硅膠內側密封，使得第二腔壁的內壁光滑。
[0011]本發明中，第三腔壁由鋁合金結構框架及玻璃觀察側壁連接而成，玻璃觀察側壁的內壁切角延續至收縮段內壁切角，以減少洞壁對于氣流的干擾;所述玻璃觀察側壁依據分段結構貼合于鋁合金結構框架上，轉角處以角鋁和螺栓相互連接。
[0012]本發明中，第四腔壁由鋁合金結構框架和鋁合金側壁連接而成。
[0013]本發明中，第五腔壁由鋁合金結構框架和鋁合金側壁連接而成。
[0014]本發明中，風機裝置由個相同的軸流風機和風扇整流裝置組成，風扇開關裝置可以開啟軸流風機，所述軸流風機從風洞內吸風，電子調速器控制電機的轉速，風扇整流裝置由泡沫填充物構成，包裹于軸流風機外，充當軸流風機的固定支架，減緩其震動。風扇整流裝置分前后兩段，每段將風扇截面和腔壁內側截面光滑連接，保證風機段內側腔壁為光滑流線曲面。
[0015]本發明的有益效果在于:本發明有助于建筑師理解復雜的城市風環境現象及其對建筑性能的影響，在設計初期階段及早發現和解決設計問題，對設計提升建筑性能和能源效率具有指導性意義。本發明借助電子傳感器、開源電子原型平臺及建筑軟件，實現物理數據的收集與即時傳導，完成與建筑設計模塊的無縫對接，將基于真實環境模擬的測量數據直接反饋到建筑生形過程中，節省大量數據轉化時間；本發明發展出系統化的性能研究方法，在對設計可能性進行迭代優化及比較的前提下推動建筑形式的生成；相比現有大型工業風洞，本發明在滿足建筑生形實驗所需精度的前提下，具有構造明晰、能耗低、造價低、運行維護費用低、可達性強等優點，作為極為有效的設計生成工具，對建筑空氣動力學領域的建筑師和研究者尤其適用。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的軸側圖。
[0017]圖2為穩定段的軸測圖。
[0018]圖3為收縮段的軸測圖。
[0019]圖4為實驗段的軸測圖。
[0020]圖5為擴散段的軸測圖。
[0021]圖6為風機段的軸測圖。
[0022]圖7為本發明的測量模式示意圖。
[0023]圖8為本發明的工作流程。
[0024]圖中標號:I為穩定段;2為收縮段;3為試驗段;4為擴散段;5為風機段;6為第一腔壁;7為整流裝置;8為鋁合金結構框架;9為鋁合金側壁；10為整流裝置的固定框架；11為整流裝置的金屬絲網；12為第二腔壁;13為木質側壁;14為第三腔壁;15為觀察門裝置；16為圓盤裝置;17為照明燈管；18為泡沫粗糙元;19為被測模型;20為玻璃觀察側壁;21為玻璃觀察偵_內壁切角；22為第四腔壁;23為風扇開關裝置;24為電子調速器;25為第五腔壁;26為風機裝置;27為軸流風機;28為風扇整流裝置;29為電子傳感器;30為模擬測量裝置的數據傳輸面包線;31為轉接板;32為Arduino板;33為跨接線。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發明的實施方式作進一步詳細闡述。
[0026]實施例1:參照圖1，本實施例提供一種由穩定段1、收縮段2、試驗段3、擴散段4以及風機段5五個部分依次連接組成，基于智能互動平臺測量實驗數據的物理風洞。
[0027]參照圖2，穩定段I由第一腔壁6和內嵌于第一腔壁6內的整流裝置7構成。第一腔壁6由鋁合金結構框架8和鋁合金側壁9構成。在綜合氣流均勻性、穩定性和氣流能量指標的前提下，整流裝置7采用了三層紗網組合，以減少風扇產生的渦流。整流裝置7由十字型固定框架10和金屬絲網11構成，金屬絲網11張緊后由固定框架10從兩側壓緊固定。穩定段進風口為矩形截面，截面尺寸為2160_X 1700_。
[0028]參照圖3，收縮段2由第二腔壁12構成，第二腔壁12由鋁合金結構框架8和木質側壁13構成。木質側壁13由多塊復合木板貼合而成，整體呈縮放式喇叭形，木板間接縫通過硅膠內側密封，使得內壁光滑。收縮段2進口截面面積為3.584m2，約合直徑1900mm，收縮段2長度采用進口直徑0.6倍，取I 10mm，從而減少氣流在洞口產生分離，減少能量損失。
[0029]參照圖4，試驗段3由第三腔壁14、觀察門裝置15、圓盤裝置16、照明燈管17、泡沫粗糙元18和被測模型19構成。其中，第三腔壁14由鋁合金結構框架8及玻璃觀察側壁20構成。玻璃觀察側壁20的內壁切角21延續至收縮段2內壁切角，以減少洞壁對于氣流的干擾;所述玻璃觀察側壁20依據分段結構貼合于鋁合金結構框架8上，轉角處以角鋁和螺栓相互連接；觀察門裝置15由門板、支撐桿、鎖扣構成，將矩形玻璃門板邊緣打孔，通過合頁，與上方玻璃一邊相連，在矩形玻璃門板另一邊緣安裝把手，且用有機玻璃膠貼上磁條，保證門在關閉時不至被風洞內部氣流擾動；圓盤裝置16包含刻度托盤、轉盤及操作手柄，可以調節至指定旋轉角度；照明燈管17由燈管支架固定，提供風洞使用和布置階段的照明；泡沫粗糙元18為5cmX3.6cmX3.8cm的泡沫塊，間隔22cm排列，粘貼于被測模型的上風區一一第三腔壁14的底部，用以模擬城市粗糙度;被測模型19由三維打印機打印，預留有布置傳感器裝置的孔洞。試驗段選擇易于安裝開啟門、便于觀察的矩形截面，截面尺寸為ISOOmmX 1200mm。試驗段長度為8200mm，折合試驗段直徑的5.5倍。
[0030]參照圖5，擴散段4由第四腔壁22以及安裝于第四腔壁22上的風扇開關裝置23及電子調速器24構成。其中，第四腔壁22由鋁合金結構框架8和鋁合金側壁9構成;開關裝置23、電子調速器24將在風機段5中詳細闡述。進口截面尺寸為ISOOmmX 1200_，出口截面尺寸為2400mm X 1600mm，長度為 780mm。
[0031]參照圖6，風機段5由第五腔壁25和風機裝置26構成。其中，第五腔壁25由鋁合金結構框架8、鋁合金側壁8構成；風機裝置26由6個相同的軸流風機27及其風扇整流裝置28構成。電機以220V電源供電，風扇開關裝置23可以開啟軸流風機27，所述軸流風機27從風洞內吸風，電子調速器24控制電機的轉速，電機帶動槳葉旋轉產生一定速度的氣流，可達的風速范圍為Om/s-lOm/s。風扇整流裝置28充當軸流風機27的固定支架，由泡沫填充物構成，填充物包裹軸流風機27，減緩其震動。風扇整流裝置28分前后兩段，每段將風扇截面和腔壁內側截面光滑連接，保證風機段內側腔壁為光滑流線曲面。
[0032]參照圖7，風環境數據測量系統由Arduino板24、電子傳感器21、數據傳輸面包線22、轉接板23、跨接線25等電子元件組成，用以實現對建筑物表面風壓的測量。Arduino系統易學易用，且能夠與建模軟件Rhino的插件Grasshopper實現良好的對接，從而進一步對測量數據進行深入處理。其中,Arduino板24為Mega 2560型號，該型號具有較多的模擬輸入端口，可以同時采集多組傳感器的數據。電子傳感器21為博世出產的壓力傳感器BMP180，用以測量特定工況下特定位置的壓力數值。電子傳感器21上焊接單排針，使得面包線22可以將壓力傳感器連接至轉接板23上，轉接板23將各電子傳感器21的正極、負極和時鐘信號統一連接至Arduino板24的相應端口，跨接線25將電子傳感器的順序端口依次連接至Arduino板24的模擬輸入端口，Arduino板24最終連接計算機USB接口實現數據的傳輸。
[0033]參照圖8，本發明可以用于進行建筑設計初期階段的方案生成、模擬與優化。具體流程詳細說明如下:
在完成物理風洞的搭建后，本發明的工作原理如下:首先，獲取建筑所在地區的氣象數據，包括風向、風速、風頻等作為實驗條件。然后，根據恰當的幾何縮尺比，確定用于風洞實驗的建筑模型的區域范圍及比例，通過三維打印機將被測模型19打印成型。需注意的是，被測模型19表面應根據設計需求預留尺寸為13mmX 1mm的孔洞，用以安裝電子傳感器。該模型打印為空心模型，僅外墻部分為內設支撐的結構，空心部分供連接電子傳感器29的數據傳輸面包線30穿過。為方便后續電子傳感器29的安裝，可將模型縱向剖切，打印成可以相互插接的兩個部分，在布置傳感器時分為兩個部分，方便操作;在傳感器布置完成后，相互插接，合為一個整體。
[0034]將被測模型19置入試驗段3的圓盤裝置16之上，操縱手柄調整圓盤裝置16旋轉角度至模擬工況下的風向角。在模型表面布置電子29傳感器，連接線路。電子傳感器29通過平頭螺絲和螺母與被測模型內表面的留有螺絲孔的固定層相連接。四股數據傳輸面包線30依次連接電子傳感器29的四個排針端口，穿過被測模型與圓盤裝置預留的走線孔洞，在試驗段3下方與轉接板31相連。其中，轉接板為自主焊制，三縱列，每一縱列有二十四排。每一單排有5個插口，其中4個分別代表正極、負極、時鐘信號和序列信號，第5個插口則由跨接線33依次連接至Arduino板32的模擬輸入端，實現從電子傳感器29到Arduino板的數據傳輸。完成轉接板與傳感器的連接后，跨接線并聯起轉接板中的正極、負極和時鐘信號，統一連接至Arduino板的正負極和時鐘端口。每塊Arduino Mega2560板一次可以實現66個傳感器的數據讀取。若需要讀取更多的電子傳感器讀數，可增加配套數量，通過USB擴展器連接至電腦端口。隨即，啟動電腦中Rhino軟件的Grasshopper插件，打開應用Firef Iy插件編寫完成的數據可視化程序，該程序實現對Arduino讀數的同步提取。
[0035]電子傳感器29布置完畢后，檢查風洞各段腔壁的氣密性，關閉觀察門裝置15，將鎖扣鎖緊。打開電源開關23和照明燈管17，將試驗段內的照明燈管點亮，軸流風機27開始轉動，調節電子調速器24至模擬工況下的風速值，等待一段時間，氣流將會從穩定段I入口進入，撞擊電子傳感器29表面。同時，Grasshopper程序中將會出現持續小幅變化的壓力數據，待壓力數據變化幅度滿足程序預設范圍，則保存該組數據用于后處理。
[0036]通過Grasshopper程序對測得的數據進行可視化分析，同時，根據設計設定的性能目標判定所測建筑是否滿足性能指標。若不滿足，優化數據不理想的位置的建筑形態，生成優化方案，再次打印，布置電子傳感器29，進行新一輪實驗。直至所測數據滿足所需性能目標，實現建筑形態生成與優化的設計意圖。
[0037]本發明專利適用于建筑學對建筑設計初期階段方案的模擬測試。上文結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但本發明不局限于上述的【具體實施方式】。本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以對很多風數據進行測量和操作，這些均屬于本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種基于智能互動平臺的風洞，包括風洞本體和測量系統，其特征在于: 所述風洞本體為直流式，由穩定段、收縮段、試驗段、擴散段以及風機段依次連接組成；穩定段由第一腔壁和嵌于第一腔壁內的整流裝置構成;收縮段由第二腔壁構成;試驗段由第三腔壁、觀察門裝置、圓盤裝置、照明燈管、泡沫粗糙元和被測模型構成，所述圓盤裝置位于第三腔壁底部，被測模型放置于圓盤裝置之上，觀察門裝置位于第三腔壁側，照明燈管位于第三腔壁頂部轉角處，泡沫粗糙元位于被測模型上風段第三腔壁內壁底部;擴散段由第四腔壁、風扇開關裝置以及電子調速器構成;風機段由第五腔壁和風機裝置構成;所述測量系統包括電子傳感器、Arduino板、轉接板和傳輸數據面包線，轉接板將每個電子傳感器的正極、負極和時鐘信號連接至Arduino板的相應端口，跨接線將電子傳感器的順序端口依次連接至Arduino板相應的模擬輸入端口，Arduino板連接計算機的USB接口，實現數據的傳輸；電子傳感器通過螺絲與被測模型內表面留有螺絲孔的固定層相連接，數據傳輸面包線依次連接相應的電子傳感器的排針端口，穿過被測模型與圓盤裝置預留的走線孔洞，在試驗段下方與轉接板相連。2.根據權利要求1所述的一種基于智能互動平臺的風洞，其特征在于:轉接板設有三縱列，每一縱列有二十四排，每一單排有5個插口，其中4個分別代表正極、負極、時鐘信號和序列信號，第5個插口則由跨接線依次連接至Arduino板的模擬輸入端，實現從電子傳感器到板的數據傳輸。3.根據權利要求1所述的一種基于智能互動平臺的風洞，其特征在于:第一腔壁由鋁合金結構框架和鋁合金側壁連接而成。4.根據權利要求1所述的一種基于智能互動平臺的風洞，其特征在于:整流裝置由十字型固定框架和金屬絲網連接而成，金屬絲網采用三層紗網組合，金屬絲網張緊后由固定框架從兩側壓緊固定。5.根據權利要求1所述的一種基于智能互動平臺的風洞，其特征在于:第二腔壁由鋁合金結構框架和木質側壁連接而成，木質側壁由若干塊復合木板貼合而成，收縮段整體呈縮放式喇叭形，復合木板間接縫通過硅膠內側密封，使得第二腔壁的內壁光滑。6.根據權利要求1所述的一種基于智能互動平臺的風洞，其特征在于:第三腔壁由鋁合金結構框架及玻璃觀察側壁連接而成，玻璃觀察側壁的內壁切角延續至收縮段內壁切角，以減少洞壁對于氣流的干擾;所述玻璃觀察側壁依據分段結構貼合于鋁合金結構框架上，轉角處以角鋁和螺栓相互連接。7.根據權利要求1所述的一種基于智能互動平臺的風洞，其特征在于:第四腔壁由鋁合金結構框架和鋁合金側壁連接而成。8.根據權利要求1所述的一種基于智能互動平臺的風洞，其特征在于:第五腔壁由鋁合金結構框架和鋁合金側壁連接而成。9.根據權利要求1所述的一種基于智能互動平臺的風洞，其特征在于:風機裝置由個相同的軸流風機和風扇整流裝置組成，風扇開關裝置可以開啟軸流風機，所述軸流風機從風洞內吸風，電子調速器控制電機的轉速，風扇整流裝置由泡沫填充物構成，包裹于軸流風機夕卜，充當軸流風機的固定支架，減緩其震動;風扇整流裝置分前后兩段，每段將風扇截面和腔壁內側截面光滑連接，保證風機段內側腔壁為光滑流線曲面。
【文檔編號】G01M9/04GK105841913SQ201610171277
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】袁烽, 肖彤, 黃舒怡
【申請人】同濟大學, 上海造建筑智能工程有限公司, 上海一造建筑智能工程有限公司