一種自激勵式擾動粗糙元及用于增加湍流強度的方法
【專利摘要】本發明提供的一種自激勵式擾動粗糙元，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，左側末端為蓋板，右側為可調節角度的格柵結構，右側末端為一方型重物。上部擾動器可以產生更多的漩渦，從而增加湍流強度，不需要外部能量輸入。因其于精巧的結構設計僅靠風洞里的風能就能驅動，在應用時，可以調節重物質量的大小來滿足不同風速條件下的需求。
【專利說明】
一種自激勵式擾動粗糙元及用于増加湍流強度的方法
技術領域
[0001] 本專利應用于風洞試驗領域，應用粗糙元來改善大氣邊界層模擬的精度，特別涉 及一種自激勵式擾動粗糙元。
【背景技術】
[0002] 隨著建筑技術的發展，高層、大跨結構以及一些造型新奇的建筑越來越受人們的 追捧。而這些結構往往都是風敏感的結構，建筑風荷載的設計都必須經過風洞試驗來確定。 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 界層這一領域，當前國內外學者已經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較為精確了；而對于底部湍流的模擬尤其是如何增大底部湍流強 度，當前并未開展充分有效的研究。對于建筑結構來說，風荷載最有分析價值的部分就是湍 流與建筑結構相耦合所產生的效應。如果能精確模擬湍流，將會得到更加精確的建筑結構 的風荷載響應。
[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構加粗糙元的形式;主動模擬，主要采用振動格柵結構、旋轉尖劈加粗 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、振動格柵的結構對于湍流強度有所提 升，但是由于尖劈、格柵距離試驗模型較遠，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 以簡單快速地實現粗糙元高度的無級調節。
[0007] CN204882029U公開了一種大比例和高湍流的風場布置結構。它包括在洞體地面橫 向間隔均勻布置的數個豎向尖劈;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盤之間設有數排粗糙元，粗糙元為三種不 同大小的正方體，根據試驗要求進行大小、稀密不同的粗糙元布置變換;在轉盤中心垂直上 方設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邊上;所述三維脈動風速儀與數據采 集系統連接。
[0008] 已知現有技術存在以下問題：
[0009] 1.被動模擬的尖劈、格柵結構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、振動格柵結構由于距離模型過遠，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，建造起來較為復雜，也不易 維護。
【發明內容】
[0013] 鑒于現有技術存在的問題，為了增加風洞下部的湍流強度，本發明提供了一種自 激勵式擾動粗糙元。粗糙元上的機械結構對風場施加擾動，可以在傳統粗糙元機理下更進 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，僅靠風洞內的 風能就可實現。
[0014] 優選地，本發明的目的是這樣實現的:本發明的一種自激勵式擾動粗糙元，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，左側末端為蓋板，右側為可調節角度的格柵結構，右側末端為一方型重物。
[0015] 其中，優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，以調節擾動效 果。
[0018] 進一步優選方案包括左側末端蓋板優選為可開合的格柵結構組成，左側格柵小窗 板與蓋板夾角約為45度。
[0019] 進一步優選方案包括右側蓋板前部為格柵結構，右側格柵小窗板與蓋板夾角為-45度，而末端2-4cm段不設格柵結構，為封閉狀態。
[0020] 進一步優選方案包括下部收風盒優選為錐形體，具體尺寸可以根據風洞大小修 改，錐形體的進風口優選為方形，邊長約為5cm。
[0021] 進一步優選方案包括該錐形體出風口的具體尺寸可以根據風洞大小修改，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]本發明的粗糙元不需要外部能量輸入，僅靠內部風能就可驅動。
[0024]本發明進一步提供一種增加湍流強度的方法，其使用前述的一種自激勵式擾動粗 糙元。具體地包括：
[0025]風從進風口吹入，經過收風盒的處理風速加大變成豎向的風，把擾動器右側吹起 同時左側下落，左側下落的蓋板，蓋住進風口使右側不再有豎向的風吹出；在右側重物的帶 動下，右側下落同時左側蓋板升起，進風口繼續進風形成循環，對風場中施加反復擾動，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，內: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M滿足一下關系：
[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M取值范圍在31.37g和80g之間；若底部風速為20m/s，則M 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:開口進風狀態和閉口下落狀態。
[0040] 開口進風狀態：
[0041] 當蓋板打開時風從進風口吹入，經過收風盒，由于狹壁效應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板一個向上吹起的力； 而左側板以及蓋板，為了減小風阻力，在板上設計了格柵結構，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 向左側板，此時的風已經不能從左側格柵處吹過從而給左側板一個向下運動的力，進一步 帶動右側重物抬起同時左側蓋板下落，而右側格柵的方向運動到剛好可以使風通過的位 置，不會產生阻礙重物抬起的阻力。格柵結構的存在，保證水平風對擾動器的荷載都是有利 于把右側重物吹起的。
[0042] 閉口下落狀態：
[0043] 左側蓋板完全蓋住進風口時，不再有豎向風吹起。擾動器會在右側重物自由落體 運動的帶動下運動:右側重物下落左側蓋板升起。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，產生豎向風把右側重物吹起同時左側 蓋板落下，形成循環。
[0044] 本發明所提供的一種粗糙元，與現有技術相比具有以下優點：
[0045] 1.粗糙元結構本身為鈍體，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，由于精巧的結構設計僅靠風洞里的風能就能驅動；
[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生漩渦從而增大 湍流強度；
[0048] 4.粗糙元距離試驗模型距離較近，產生的湍流強度不易損失；
[0049] 5.在應用時，可以調節重物質量的大小來滿足不同風速條件下的需求。
【附圖說明】
[0050] 圖1，本發明一種自激勵式擾動粗糙元(開口進風狀態)的前視圖
[0051] 圖2，本發明一種自激勵式擾動粗糙元(開口進風狀態)的立體示意圖 [0052]圖3，本發明一種自激勵式擾動粗糙元(閉口下落狀態)的立體示意圖
[0053]圖4,本發明一種多個自激勵式擾動粗糙元(開口進風狀態)排列的立體示意圖
【具體實施方式】
[0054]下面結合實施例和附圖對本發明作進一步詳細的描述，但發明的實施方式不限于 此。實施例1
[0055]如圖1、2和3所示，一種自激勵式擾動粗糙元，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，左側末端為蓋板，右側為可調節 角度的格柵結構，右側末端為一方型重物。
[0056]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
[0057] 優選上部擾動器分左右兩部分，擾動器上下擺動角度為±40度。右側蓋板末端2cm 段不設格柵結構，為封閉狀態。
[0058]左側末端為蓋板優選為可開合的格柵結構組成，左側小窗板與蓋板夾角約為45 度，右側小窗板與蓋板夾角為-45度。
[0059] 下部收風盒優選為錐形體，錐形體的進風口優選為方形。
[0060] 實施例2
[0061 ]如圖1、2和3所示，一種自激勵式擾動粗糙元，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，左側末端為蓋板，右側為可調節 角度的格柵結構，右側末端為一方型重物。
[0062]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
[0063] 優選上部擾動器分左右兩部分，擾動器上下擺動角度為±50度。右側蓋板末端4cm 段不設格柵結構，為封閉狀態。
[0064]左側末端為蓋板優選為可開合的格柵結構組成，左側小窗板與蓋板夾角約為45 度，右側小窗板與蓋板夾角為-45度。
[0065] 下部收風盒優選為錐形體，錐形體的進風口優選為方形。
[0066] 優選該重物為一方型盒子，中間可加填砝碼以調節擾動效果。
[0067] 實施例3
[0068]如圖1、2和3所示，一種自激勵式擾動粗糙元，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，左側末端為蓋板，右側為可調節 角度的格柵結構，右側末端為一方型重物。
[0069]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
[0070] 優選上部擾動器分左右兩部分，擾動器上下擺動角度為±50度。右側蓋板末端4cm 段不設格柵結構，為封閉狀態。
[0071] 左側末端為蓋板優選為可開合的格柵結構組成，左側小窗板與蓋板夾角約為45 度，右側小窗板與蓋板夾角為-45度。
[0072] 下部收風盒優選為錐形體，錐形體的進風口優選為方形。
[0073] 該重物為一方型盒子，中間可加填砝碼以調節擾動效果。
[0074]實施例4 一種增加湍流強度的方法
[0075]如圖4所示，使用前述實施例1-3任一方案的一種自激勵式擾動粗糙元。具體地包 括：
[0076]風從進風口吹入，經過收風盒的處理風速加大變成豎向的風，把擾動器右側吹起 同時左側下落，左側下落的蓋板，蓋住進風口使右側不再有豎向的風吹出；在右側重物的帶 動下，右側下落同時左側蓋板升起，進風口繼續進風形成循環，對風場中施加反復擾動，打 亂來流增加底部湍流強度。
[0077]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所做的進一步詳細的說明，但是不 表示本發明的具體實施是局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來 說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或是替換，都應視為屬于本發 明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種自激勵式擾動粗糙元，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，左側末端為蓋板，右側為可調節角度的 格柵結構，右側末端為一方型重物。2. 根據權利要求1所述的一種自激勵式擾動粗糙元，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. 根據權利要求1所述的一種自激勵式擾動粗糙元，其特征在于，優選上部擾動器分左 右兩部分，擾動器上下擺動角度范圍為± 40-50度。4. 根據權利要求1所述的一種自激勵式擾動粗糙元，其特征在于，優選該重物為一方型 盒子，盒子中間可加填砝碼。5. 根據權利要求1所述的一種自激勵式擾動粗糙元，其特征在于，左側末端蓋板優選為 可開合的格柵結構組成，左側格柵小窗板與蓋板夾角約為45度。6. 根據權利要求1所述的一種自激勵式擾動粗糙元，其特征在于，右側蓋板前部為格柵 結構，右側格柵小窗板與蓋板夾角為-45度，而末端2-4cm段不設格柵結構，為封閉狀態。7. 根據權利要求1所述的一種自激勵式擾動粗糙元，其特征在于，下部收風盒優選為錐 形體，具體尺寸可以根據風洞大小修改，錐形體的進風口優選為方形，邊長約為5cm。8. 根據權利要求7所述的一種自激勵式擾動粗糙元，其特征在于，該錐形體出風口的具 體尺寸可以根據風洞大小修改，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，優選為邊長為1 · 25cm的方形口或者直徑為1 · 25cm的圓形口。9. 一種增加湍流強度的方法，其特征在于，使用前述權利要求1-8任一權利要求所述的 一種自激勵式擾動粗糙元。10. 根據權利要求9所述一種增加湍流強度的方法，其特征在于，包括:風從進風口吹 入，經過收風盒的處理風速加大變成豎向的風，把擾動器右側吹起同時左側下落，左側下落 的蓋板，蓋住進風口使右側不再有豎向的風吹出；在右側重物的帶動下，右側下落同時左側 蓋板升起，進風口繼續進風形成循環，對風場中施加反復擾動，打亂來流增加底部湍流強 度。
【文檔編號】G01M9/02GK105910790SQ201610225340
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月12日
【發明人】林坤, 劉紅軍, 黃勤, 郭開元, 管箐
【申請人】哈爾濱工業大學深圳研究生院