CN114894426A - 剪切率可调的剪切流发生系统及剪切流调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种剪切率可调的剪切流发生系统及剪切流调节方法，属于风洞技术领域，包括动力段、进风量调节段、收缩调节段和后稳定段。剪切流调节方法应用上述的剪切率可调的剪切流发生系统。本发明通过将进风调节隔板插设在不同高度的隔板插槽上能够实现剪切流的目标剪切率的调节，调节的技术难度低，安全稳定，调节起来简单方便，能够适用的场景比较多，却没有其他的副作用，成本也比较低。

Description

剪切率可调的剪切流发生系统及剪切流调节方法

技术领域

本发明属于风洞技术领域，更具体地说，是涉及一种剪切率可调的剪切流发生系统及剪切流调节方法。

背景技术

在土木工程风工程领域风洞实验中，常需要模拟不同地貌风场，在航空航天领域风洞实验中也需要模拟剪切流对器件的气动力；这种气流的特点是气流在不同高度上的风速不同，即流层间存在剪切，风洞实验中要模拟出不同剪切率的来流风。

现有边界层风洞多是采用尖劈和粗糙元产生速度和湍流度随高度变化的边界层速度剖面。但这种方法的缺点是，不同地貌（或剪切率）的风剖面需要通过调整尖劈和粗糙元大小和位置等组合，调整费时费力，且湍流度在高度方向上衰减过快，实验离开风洞底部一段距离将失真。另外，这种调节方法对于局部的风速偏转等中小尺度风场模拟也存在缺陷。

CN105890865B公开了一种尖劈粗糙元组合系统，其包括可旋转平板和尖劈。三层旋转平板调节上游进风量得到大体线性速度剖面，通过尖劈组合进一步调整风剖面及湍流度等。这种方法可以克服尖劈和粗糙元调节在湍流度衰减过快的缺点，但旋转平板会带来气流的水平度受影响，气流恢复水平需要一定距离，这对风洞的长度有较高要求；另外，单靠平板旋转调节风剖面，调节能力有一定限制。

CN112504606A公开了一种利用阵列风机偏转获得风偏角可调的风剖面。CN112504607A公开了一种连续扭转导流板系统，通过导流板扭转获得风偏角连续可调的风剖面。这两种系统都可以获得带有风偏角的风剖面，可以满足某些特殊风场的模拟。

CN107436220A公开了一种回流式变频调速风扇阵列风洞，可以通过调频风扇满足风剖面调节的目的。CN110082058A公开了一种利用变频调速风扇阵列合理布置获得极端风环境的风洞，可以模拟龙卷风、下击暴流等风场。

已有技术在获得特殊风剖面方面存在以下问题：1.被动控制技术调节能力有限，且可能带来其他副作用；2.主动模拟控制技术复杂、成本高，推广困难；3.技术功能比较单一，较难满足多场景使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种剪切率可调的剪切流发生系统及剪切流调节方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种剪切率可调的剪切流发生系统，包括动力段、进风量调节段、收缩调节段和后稳定段，动力段用于供风；进风量调节段前端与动力段连接，且内部设有多组位于不同流层的隔板插槽和能够插设在隔板插槽内的进风调节隔板，进风调节隔板将进风量调节段内部分隔成不同的腔洞；收缩调节段前端与进风量调节段后端连接，且内部设有收缩调节隔板组件，收缩调节隔板组件前端与进风调节隔板连接，且两侧与收缩调节段两侧内壁密封配合，收缩调节隔板组件用于将收缩调节段的内部分隔成不同的腔洞，收缩调节隔板组件具有沿长度方向伸缩的自由度，以在进风调节隔板插设在不同高度的隔板插槽时，仍能处于平直状态；后稳定段前端与收缩调节段后端连接，且内部设有稳风隔板，稳风隔板前端与收缩调节隔板组件后端连接，用于稳定气流后在后稳定段之后形成具有目标剪切率的剪切流。

在一种可能的实现方式中，收缩调节隔板组件前端与进风调节隔板转动且密封连接或搭接且密封连接；收缩调节隔板组件后端与稳风隔板转动密封连接或搭接且密封连接；进风量调节段两侧面均从上向下设有多个隔板插槽，进风调节隔板的两侧各插设在位于进风量调节段一侧的隔板插槽内；收缩调节隔板组件的两侧设有与收缩调节段内壁抵接的密封条。

在一种可能的实现方式中，进风调节隔板为若干组，收缩调节隔板组件也为与进风调节隔板一一对应的若干组，稳风隔板也为与收缩调节隔板组件一一对应的若干组。

在一种可能的实现方式中，收缩调节隔板组件包括前隔板、后隔板和伸缩节结构，前隔板为板状结构，且前端与进风调节隔板连接；后隔板为板状结构，且后端与稳风隔板连接；伸缩节结构分别与前隔板和后隔板连接，使前隔板和后隔板之间能够前后错动。

在一种可能的实现方式中，伸缩节结构为滑轨结构、弹性伸缩结构或滑动套接结构。

在一种可能的实现方式中，前隔板后端与后隔板前端互相搭接，且伸缩节结构位于前隔板后端与后隔板前端之间；伸缩节结构包括滑轨和滑块，滑轨设在前隔板后端，滑块设在后隔板前端，滑轨和滑块滑动配合，使前隔板后端与后隔板前端之间能够产生相对滑动。

在一种可能的实现方式中，后隔板前端至少设有一前一后两个滑块，两个滑块均与同一条滑轨滑动配合；前隔板后端与后隔板前端之间设有多组伸缩节结构，且每组的伸缩节结构的滑轨均相互平行设置。

在一种可能的实现方式中，收缩调节隔板组件还包括固定件，固定件用于将前隔板后端和后隔板前端固定；伸缩节结构外部还设有外包裹层，外包裹层包裹在前隔板后端和后隔板前端，并封闭前隔板和后隔板之间的空隙。

在一种可能的实现方式中，动力段和进风量调节段之间还设有前稳定段，前稳定段用于稳定风力；动力段内设有大规格风扇或小风扇阵列，以提供风力；前稳定段内设有蜂窝器和阻尼网，以消除导直气流的紊乱，得到平直气流；后稳定段内设有阻尼纱网组件，以降低各层气流的剪切不稳定性；阻尼纱网组件包括若干层阻尼纱网，所述阻尼纱网的不同部位的网眼密度与该部位对应的剪切流的目标剪切率呈正相关；后稳定段的出口设有格栅，以调节湍流度；动力段、前稳定段、进风量调节段、收缩调节段和后稳定段之间通过法兰连接。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种剪切流调节方法，应用上述的剪切率可调的剪切流发生系统，包括以下步骤：

A、根据剪切流的目标剪切率，将进风调节隔板插设在其中一组隔板插槽上，并保持收缩调节隔板组件处于平直状态，使后稳定段出口处形成剪切流；

B、检测后稳定段出口处的剪切流是否符合目标剪切率；若不符合，则重复步骤A，其中，需将进风调节隔板插设在另一组隔板插槽上，以获得不同的剪切流，直至获得符合目标剪切率的剪切流。

本发明提供的剪切率可调的剪切流发生系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过进风量调节段内的隔板插槽和进风调节隔板的配合，能将进风量调节段内部分隔成不同截面积的腔洞，不同腔洞的进风量不同，接着通过收缩调节段中的收缩调节隔板组件将收缩调节隔板组件的内部分隔成不同的腔洞后继续对进风量调节段进入的风进行引导和收缩，之后通过后稳定段的稳风隔板对气流的风向等参数进行稳定后，即可在后稳定段之后形成具有目标剪切率的剪切流；由于剪切流的目标剪切率可以通过将进风调节隔板插设在不同流层的隔板插槽上实现，因此整体结构简单，调节的技术难度低，安全稳定，调节起来简单方便，且拆装方便易于移动，能够适用的场景比较多，还没有其他的副作用，成本也比较低。

本发明提供的剪切流调节方法的有益效果在于：与现有技术相比，本发明通过应用上述的剪切率可调的剪切流发生系统，通过将进风调节隔板插设在不同流层的隔板插槽上能够实现剪切流的目标剪切率的调节，调节的技术难度低，安全稳定，调节起来简单方便，能够适用的场景比较多，却没有其他的副作用，成本也比较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的剪切率可调的剪切流发生系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的剪切率可调的剪切流发生系统的进风量调节段的侧边内壁部位的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的剪切率可调的剪切流发生系统的伸缩节部位的剖视结构示意图。

其中，图中各附图标记如下：

10、动力段；

20、前稳定段；

30、进风量调节段；31、隔板插槽；32、进风调节隔板；

40、收缩调节段；41、收缩调节隔板组件；411、前隔板；412、后隔板；

413、滑轨；414、滑块；415、外包裹层；416、固定件；

50、后稳定段；51、稳风隔板；52、阻尼纱网组件；

60、剪切流示意线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要进一步说明的是，本发明的附图和实施方式主要对本发明的构思进行描述说明，在该构思的基础上，一些连接关系、位置关系、动力机构、供电系统、液压系统及控制系统等的具体形式和设置可能并未没有描述完全，但是在本领域技术人员理解本发明的构思的前提下，本领域技术人员可以采用熟知的方式对上述的具体形式和设置予以实现。

当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

现对本发明提供的剪切率可调的剪切流发生系统及剪切流调节方法进行说明。

请参阅图1，本发明第一实施方式提供的剪切率可调的剪切流发生系统，包括动力段10、进风量调节段30、收缩调节段40和后稳定段50，动力段10用于供风；进风量调节段30前端与动力段10连接，且内部设有多组位于不同流层的隔板插槽31和能够插设在隔板插槽31内的进风调节隔板32，进风调节隔板32将进风量调节段30内部分隔成不同的腔洞；收缩调节段40前端与进风量调节段30后端连接，且内部设有收缩调节隔板组件41，收缩调节隔板组件41前端与进风调节隔板32连接，且两侧与收缩调节段40两侧内壁密封配合，收缩调节隔板组件41用于将收缩调节段的内部分隔成不同的腔洞，收缩调节隔板组件41具有沿长度方向伸缩的自由度，以在进风调节隔板32插设在不同流层的隔板插槽31时，仍能处于平直状态；后稳定段50前端与收缩调节段40后端连接，且内部设有稳风隔板51，稳风隔板51前端与收缩调节隔板组件41后端连接，用于稳定气流后在后稳定段50之后形成具有目标剪切率的剪切流。不同流层是指风洞中的不同位置，可以是不同的高度，也可以不同的左右位置。

本实施例提供的剪切率可调的剪切流发生系统，与现有技术相比，通过进风量调节段30内的隔板插槽31和进风调节隔板32的配合，能将进风量调节段30内部分隔成不同截面积的腔洞，不同腔洞的进风量不同，接着通过收缩调节段40中的收缩调节隔板组件41将收缩调节隔板组件41的内部分隔成不同的腔洞后继续对进风量调节段30进入的风进行引导和收缩，之后通过后稳定段50的稳风隔板51对气流的风向等参数进行稳定后，即可在后稳定段50之后形成具有目标剪切率的剪切流；由于剪切流的目标剪切率可以通过将进风调节隔板32插设在不同流层的隔板插槽31上实现，因此整体结构简单，调节的技术难度低，安全稳定，调节起来简单方便，且拆装方便易于移动，能够适用的场景比较多，还没有其他的副作用，成本也比较低。

请一并参阅图1和图2，本发明在第一实施方式基础上又提供的一种具体实施方式如下：

收缩调节隔板组件41前端与进风调节隔板32转动且密封连接或搭接且密封连接，以避免漏风。

收缩调节隔板组件41后端与稳风隔板51转动密封连接或搭接且密封连接，以避免漏风。

进风量调节段30两侧面均从上向下设有多个隔板插槽31，进风调节隔板32的两侧各插设在位于进风量调节段30一侧的隔板插槽31内。

收缩调节隔板组件41的两侧设有与收缩调节段40内壁抵接的密封条，以避免漏风。

优选地，密封条为呈人字形截面的结构，即一侧与收缩调节隔板组件41边缘连接，另一侧分别设有向上和向下延伸且贴收缩调节段40内壁在的裙边，以阻挡向上或向下的气流。

进风调节隔板32为若干组，收缩调节隔板组件41也为与进风调节隔板32一一对应的若干组，稳风隔板51也为与收缩调节隔板组件41一一对应的若干组。

若干组的进风调节隔板32、收缩调节隔板组件41和稳风隔板51能够将风洞内的气流分成若干层，通过调节各层进出口比例，即进风调节隔板32的位置，可以调节出口风速，获得所需剪切率的风剖面。

请一并参阅图1至图3，本发明在第一实施方式基础上又提供的一种具体实施方式如下：

收缩调节隔板组件41包括前隔板411、后隔板412和伸缩节结构，前隔板411为板状结构，且前端与进风调节隔板32连接；后隔板412为板状结构，且后端与稳风隔板51连接；伸缩节结构分别与前隔板411和后隔板412连接，使前隔板411和后隔板412之间能够前后错动。稳风隔板51的角度和间距根据需要设定。

伸缩节结构为滑轨结构、弹性伸缩结构或滑动套接结构等能够伸缩的结构中的一种或多种。

具体地，前隔板411后端与后隔板412前端互相搭接，且伸缩节结构位于前隔板411后端与后隔板412前端之间；伸缩节结构包括滑轨413和滑块414，滑轨413设在前隔板411后端，滑块414设在后隔板412前端，滑轨413和滑块414滑动配合，使前隔板411后端与后隔板412前端之间能够产生相对滑动。

优选地，后隔板412前端至少设有一前一后两个滑块414，两个滑块414均与同一条滑轨413滑动配合，这样更有利于保证前隔板411和后隔板412之间的直线性，避免产生中部塌陷的情况；前隔板411后端与后隔板412前端之间设有多组伸缩节结构，且每组的伸缩节结构的滑轨413均相互平行设置。

收缩调节隔板组件41还包括固定件416，固定件416用于将前隔板411后端和后隔板412前端固定，以提供竖向支撑力，避免产生中部塌陷的情况。

伸缩节结构外部还设有外包裹层415，外包裹层415包裹在前隔板411后端和后隔板412前端，并封闭前隔板411和后隔板412之间的空隙，以起到一定的封闭作用，避免形成较大的风阻，同时能够加强前隔板411和后隔板412之间的连接固定，以提供竖向支撑力，避免产生中部塌陷的情况。

外包裹层415可以是铁皮或铁盒形成的包裹结构，迎风面和背风面可以是斜面，以降低对气流的影响，固定件416可以是设在外包裹层415上的紧固螺栓等结构，以将外包裹层415与前隔板411后端和后隔板412前端固定，形成一个较为稳定的整体。

此外，固定件416还可以是电控的紧固模块，以便于在外部控制。

动力段10和进风量调节段30之间还设有前稳定段20，前稳定段20用于稳定风力。

动力段10内设有大规格风扇或小风扇阵列，以提供风力。这两种动力形式可以在风洞中都设有，大风扇只能调节风速大小，小风扇阵列可以在不同高度处设置不同风速，有一个初步的沿高度变化的速度分布剖面，小风扇阵列风速剖面控制更灵活，但大风扇成本和控制难度更低。

由于风扇吹来的风有旋转，因此可在前稳定段20内设有蜂窝器和阻尼网，以消除导直气流的紊乱，使气流更平顺湍流度更低，得到平直气流。

后稳定段50内设有阻尼纱网组件，以降低各层气流的剪切不稳定性；阻尼纱网组件包括若干层阻尼纱网，阻尼纱网的不同部位的网眼密度与该部位对应的剪切流的目标剪切率呈正相关。

具体的，阻尼纱网组件沿高度方向使用不同密度的纱网，根据需要的剪切率的不同可采用不同纱网目数（密度）的组合，也可以选择几层这种组合式纱网。对后稳定段50来流不同隔层内的气流剪切起到更好的稳定混合过渡作用，降低各层气流的剪切不稳定性。如，纱网网孔可以下方大一些，上方小一些，也可以中间大上下小。

后稳定段50的出口设有格栅，以调节湍流度。格栅的样子类似于格子框，通过调节框的粗细和格子的大小，产生不同的湍流度。如果试验对湍流度有要求可以使用这种结构。

动力段10、前稳定段20、进风量调节段30、收缩调节段40和后稳定段50之间通过法兰连接。

本发明第二实施方式提供的剪切流调节方法，应用上述的剪切率可调的剪切流发生系统，包括以下步骤：

A、根据剪切流的目标剪切率，将进风调节隔板32插设在其中一组隔板插槽31上，并保持收缩调节隔板组件41处于平直状态，使后稳定段50出口处形成剪切流；

B、检测后稳定段50出口处的剪切流是否符合目标剪切率；若不符合，则重复步骤A，其中，需将进风调节隔板32插设在另一组隔板插槽31上，以获得不同的剪切流，直至获得符合目标剪切率的剪切流；若符合，则进行下一阶段的操作，如进行风洞试验等操作。

本实施例提供的剪切流调节方法，与现有技术相比，通过应用上述的剪切率可调的剪切流发生系统，通过将进风调节隔板32插设在不同高度的隔板插槽31上能够实现剪切流的目标剪切率的调节，调节的技术难度低，安全稳定，调节起来简单方便，能够适用的场景比较多，却没有其他的副作用，成本也比较低。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于，包括：

动力段（10），用于供风；

进风量调节段（30），前端与所述动力段（10）连接，且内部设有多组位于不同高度的隔板插槽（31）和能够插设在所述隔板插槽（31）内的进风调节隔板（32），所述进风调节隔板（32）将所述进风量调节段（30）内部分隔成不同的腔洞；

收缩调节段（40），前端与所述进风量调节段（30）后端连接，且内部设有收缩调节隔板组件（41），所述收缩调节隔板组件（41）前端与所述进风调节隔板（32）连接，且两侧与所述收缩调节段（40）两侧内壁密封配合，所述收缩调节隔板组件（41）用于将所述收缩调节段（40）的内部分隔成不同的腔洞，所述收缩调节隔板组件（41）具有沿长度方向伸缩的自由度，以在所述进风调节隔板（32）插设在不同流层的隔板插槽（31）时，仍能处于平直状态；

后稳定段（50），前端与所述收缩调节段（40）后端连接，且内部设有稳风隔板（51），所述稳风隔板（51）前端与所述收缩调节隔板组件（41）后端连接，用于稳定气流后在所述后稳定段（50）之后形成具有目标剪切率的剪切流。

2.如权利要求1所述的剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于：所述收缩调节隔板组件（41）前端与所述进风调节隔板（32）转动且密封连接或搭接且密封连接；所述收缩调节隔板组件（41）后端与所述稳风隔板（51）转动密封连接或搭接且密封连接；所述进风量调节段（30）两侧面均从上向下设有多个所述隔板插槽（31），所述进风调节隔板（32）的两侧各插设在位于所述进风量调节段（30）一侧的所述隔板插槽（31）内；所述收缩调节隔板组件（41）的两侧设有与所述收缩调节段（40）内壁抵接的密封条。

3.如权利要求1所述的剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于：所述进风调节隔板（32）为若干组，所述收缩调节隔板组件（41）也为与所述进风调节隔板（32）一一对应的若干组，所述稳风隔板（51）也为与所述收缩调节隔板组件（41）一一对应的若干组。

4.如权利要求1所述的剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于，所述收缩调节隔板组件（41）包括：

前隔板（411），为板状结构，且前端与所述进风调节隔板（32）连接；

后隔板（412），为板状结构，且后端与所述稳风隔板（51）连接；

伸缩节结构，分别与所述前隔板（411）和所述后隔板（412）连接，使所述前隔板（411）和所述后隔板（412）之间能够前后错动。

5.如权利要求4所述的剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于：所述前隔板（411）后端与所述后隔板（412）前端互相搭接，且所述伸缩节结构位于所述前隔板（411）后端与所述后隔板（412）前端之间；所述伸缩节结构包括滑轨（413）和滑块（414），所述滑轨（413）设在所述前隔板（411）后端，所述滑块（414）设在所述后隔板（412）前端，所述滑轨（413）和所述滑块（414）滑动配合，使所述前隔板（411）后端与所述后隔板（412）前端之间能够产生相对滑动。

6.如权利要求5所述的剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于：所述后隔板（412）前端至少设有一前一后两个所述滑块（414），两个所述滑块（414）均与同一条所述滑轨（413）滑动配合；所述前隔板（411）后端与所述后隔板（412）前端之间设有多组所述伸缩节结构，且每组的所述伸缩节结构的滑轨（413）均相互平行设置。

7.如权利要求5所述的剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于：所述收缩调节隔板组件（41）还包括固定件（416），所述固定件（416）用于将所述前隔板（411）后端和所述后隔板（412）前端固定；所述伸缩节结构外部还设有外包裹层（415），所述外包裹层（415）包裹在所述前隔板（411）后端和所述后隔板（412）前端，并封闭所述前隔板（411）和所述后隔板（412）之间的空隙。

8.如权利要求1所述的剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于：所述后稳定段（50）内设有阻尼纱网组件，以降低各层气流的剪切不稳定性；所述阻尼纱网组件包括若干层阻尼纱网，所述阻尼纱网的不同部位的网眼密度与该部位对应的剪切流的目标剪切率呈正相关。

9.如权利要求1所述的剪切率可调的剪切流发生系统，其特征在于：所述动力段（10）和所述进风量调节段（30）之间还设有前稳定段（20），所述前稳定段（20）用于稳定风力；所述动力段（10）内设有大规格风扇和/或小风扇阵列，以提供风力；所述前稳定段（20）内设有蜂窝器和阻尼网，以消除导直气流的紊乱，得到平直气流；所述后稳定段（50）的出口设有格栅，以调节湍流度；所述动力段（10）、所述前稳定段（20）、所述进风量调节段（30）、所述收缩调节段（40）和所述后稳定段（50）之间通过法兰连接。

10.一种剪切流调节方法，其特征在于，应用如权利要求1-9任一项所述的剪切率可调的剪切流发生系统，包括以下步骤：

A、根据剪切流的目标剪切率，将进风调节隔板（32）插设在其中一组隔板插槽（31）上，并保持收缩调节隔板组件（41）处于平直状态，使后稳定段（50）出口处形成剪切流；

B、检测后稳定段（50）出口处的剪切流是否符合目标剪切率；若不符合，则重复所述步骤A，其中，需将进风调节隔板（32）插设在另一组隔板插槽（31）上，以获得不同的剪切流，直至获得符合目标剪切率的剪切流。

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