一种风场三维风速测定的便捷装置及制造和使用方法与流程

本发明涉及结构风工程技术领域的试验装置，尤其涉及一种风场三维风速测定的便捷装置及制造和使用方法。

背景技术：

近年来，各类结构体系的风灾事故频发，其中输电塔线体系的安全问题尤为突出。这一方面是其自身的结构特征所致，例如线路走廊绵长，途经恶劣气候高发区域和复杂地形的概率较大，结构柔度较强，较易在自然风作用下激发出强烈的振动等；另一方面则是由于设计时对微地形风场和以下击暴流(包含飑线风)为代表的非良态风场的考虑不足，此处统称为复杂条件风场。事故现场的调查报告和气象资料也表明，大多数的强风致倒塔和风偏闪络事故均发生于有风场加速效应的微地形环境或疑似出现下击暴流的局地短时强对流天气中。

相较于常规大气边界层风场，复杂条件风场多为空间分布极不均匀的局地风场，而在输电线路的设计过程中，需准确把握整个线路走廊的风场空间分布特征。这显然无法仅通过设计区域内有限个气象监测站的数据观测记录来体现。目前此类风场，一般通过实际山体缩尺模型的室内风洞试验来进行模拟，并通过一定的测量手段采集不同空间位置处的风速剖面。

事实上，山体模型的缩尺比一般较大，同时，需重点关注的区域较广，测点数目较多，此时若采用逐点采集的方法，测量成本较高，且测点定位的准确性对测试结果的影响较大。此时，宜采用包含多个风速探头的排管来采集风速剖面。然而，以往应用于常规大气边界层风洞中的风速排管，仅采集了总压和静压，并未考虑风场的三维效应，其测试结果无法体现复杂条件风场不同高度风速的风攻角差异。此外，各探头的离地高度固定不变，当需针对指定空间位置处的某个高度范围进行测点加密时，无法实现测点高度的实时调整。因此，现有的测量装置和方法不能满足实际需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种风场三维风速测定的便捷装置及制造和使用方法，可直接用于复杂条件风场三维风速的快速测定；

进一步的可以制造直接用于复杂条件风场三维风速的快速测定的便携装置。

本发明采用下述技术方案：

一种风场三维风速测定的便捷装置，

包括：由上、下端面和中间部构成的工字型支撑架，所述的工字型支撑架中间部为流线型壳体，上、下两端面均设置有盖板，盖板与流线型壳体密封固定设置，其中下端面盖板上设置有出线孔；

所述的流线型壳体内部固定设置有卡槽，卡槽内设置有探头安装板，所述的探头安装板与卡槽卡接固定；

所述的探头安装板的上、下两端部分别通过紧固螺栓与卡槽的上、下两端部分别固定；

还包括有壳体安装板，壳体安装板上方紧贴设置有水准板，水准板与壳体安装板一端铰接；

所述的探头安装板上设置有刻度和多个探头安装孔，所述的多个探头安装孔上方分别设置有一个定位槽；探头安装孔用于固定安装多孔探头，所述的多孔探头上设置有定位凸台，所述的定位凸台与定位槽配合设置。

所述的多孔探头分离式多孔探头，各孔均为贯通空腔，所述探头的头部形状为锥状或球状，所述探头的长度可调。

所述的水准板的侧端面上还设置有用于对探头倾角的快速读取的气泡水平仪。

包括以下几个步骤：

A：将组装好并标定完毕的风场三维风速测定的便捷装置安装在待测的空间位置上；

B：在探头安装板上读取各个多孔探头的整体偏移距离z0，当探头安装板整体均位于卡槽内时z0=0，此时离地面最近的一个探头的离地高度为z1，相邻探头间的距离zij，其中，j=i+1；因此，各探头的离地高度；

C：采用三角板量取水准板末端与壳体安装板的垂直距离h，根据水准板的长度l，计算得到探头的局部坐标系与整体坐标系的夹角，

D：根据直接由各个探头测得的三维风速结果换算得到整体坐标系下该位置的三维风速剖面。

一种风场三维风速测定的便捷装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：确定拟采用的多孔探头的型号和数目，所述多孔探头的型号包括孔数、开孔位置、探头头部形状和直径；

步骤二：根据试验缩尺比确定探头安装板的厚度，制作与探头个数配套的探头安装板，并在探头安装板上设置刻度；

步骤三：制作长度与安装板长度相同的流线型壳体，在流线型壳体内设置与探头安装板配套的卡槽，在卡槽的顶部和底部设置紧固螺栓；

步骤四：在流线型壳体顶部和底部分别固定设置开了孔的壳体安装板和水准板，两者通过连接件进行连接，在水准板上安装气泡水平仪，并制作配套的盖板，保证装置内腔体的密闭性；

步骤五，进行整个装置的组装，并对多孔探头进行标定，标定完成后将装置安装到复杂地形条件中即可直接测量不同空间位置的风速剖面。

所述步骤二中，探头安装板上、下部均标有刻度，可实现测点高度的整体实时调整，在不影响壳体流线型外形并保证壳体尺寸不过大的前提下，探头安装板的厚度不宜过薄，以保证探头的与壳体的垂直度。

所述步骤二中，板上的探头安装孔配有定位槽，防止探头在安装过程中发生转动。

所述步骤三中，壳体前部需开槽形孔，宽度由各个高度五孔探头的尺寸所决定。

所述步骤四中，壳体安装板的开孔深度小于其厚度，开孔形状与壳体的横截面相同，但是略大于其横截面，方便盖板的搁置和移除，水准板的开孔上下贯通，开孔尺寸和形状与壳体安装板相同。

所述步骤四中，壳体安装板和水准板的连接件需保证两块板能绕连接件的安装轴自由转动。

本发明通过使探头的初始俯仰角可调至与目标地形的地面平行，且可直接读取，同时，探头的长度可调，从而可用于不同缩尺比的任何复杂地形模型任一空间位置的风速剖面测量，其次设置卡槽使测点高度可调，可实现所有测点的整体移动。而且当需调整相邻测点的距离，实现测点局部加密时，仅需更换探头安装板即可，可快速测定目标区域的风场空间分布特征。最后，各个多孔探头的标定可在整个装置组装完毕后同步完成，标定过程简单便捷，精度高，测量结果稳定性好。本发明装置制作简单、安装便捷、适用范围广、造价低廉，能够对复杂山体、峡谷等微地形风场和以下击暴流为代表的非良态风场进行三维风速的快速测定。

附图说明

图1为本发明所述工字型支撑架的结构示意图；

图2为本发明所述工字型支撑架的侧视图；

图3为本发明所述工字型支撑架的俯视图；

图4为本发明所述风场三维风速测定的便捷装置的使用方法的流程图；

图5为本发明所述风场三维风速测定的便捷装置的制造方法流程图。

具体实施方式

如图所示，如图1、图2和图3所示，一种风场三维风速测定的便捷装置，包括：由上、下端面和中间部构成的工字型支撑架，所述的工字型支撑架中间部为流线型壳体3，上、下两端面为盖板，二者与流线型壳体3密封固定设置，其中下端面盖板上设置有通孔，用于走线；

所述的流线型壳体3内部固定设置有卡槽4，卡槽4内设置有探头安装板2，所述的探头安装板2与卡槽4卡接固定；

所述的探头安装板2的上、下两端部分别通过紧固螺栓5与卡槽的上、下两端部的盖板10分别固定；

还包括有壳体安装板6，壳体安装板6上方紧贴设置有水准板7，水准板7与壳体安装板6紧密连接，并通过连接件8进行铰接，使其可绕一端转动。

所述的探头安装板2上设置有刻度和多个探头安装孔，所述的多个探头安装孔上方分别设置有一个定位槽；探头安装孔用于固定安装多孔探头，所述的多孔探头上设置有定位凸台，所述的定位凸台与定位槽配合设置。

所述的多孔探头分离式多孔探头，各孔均为贯通空腔，所述探头的头部形状为锥状或球状，所述探头的长度可调。

所述的水准板7的侧端面上设置有气泡水平仪，所述的气泡水平仪用于对探头倾角的快速读取。

一种风场三维风速测定的便捷装置的使用方法，包括以下几个步骤：

A：将组装好并标定完毕的风场三维风速测定的便捷装置安装在待测的空间位置上；

B：在探头安装板上读取各个多孔探头的整体偏移距离z0（即探头安装板(2)上的刻度）：当探头安装板整体均位于卡槽内时z0=0，此时离地面最近的一个探头的离地高度为z1，相邻探头间的距离zij，其中，j=i+1；因此，各探头的离地高度；

C：采用三角板量取水准板末端与壳体安装板的垂直距离h，根据水准板的长度l，计算得到探头的局部坐标系与整体坐标系的夹角，

D：根据直接由各个探头测得的三维风速结果换算得到整体坐标系下该位置的三维风速剖面。

一种风场三维风速测定的便捷装置的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：确定拟采用的多孔探头的型号，所述多孔探头的型号包括孔数、开孔位置、探头头部形状、直径和数目；其中，探头的孔数一般为4孔、5孔或7孔；头部形状一般为锥状或球状；各个探头的直径可任意选取，但须与探头安装板配套。采用长度可调的分段式多孔探头，如图5所示，此时仅需确定探头前段部分的形状参数，后段套管应制作多个长度，以便后续进行对比选用，套管上有定位槽，防止探头安装好后发生转动，同时，需保证前后两段之间连接处的气密性。

步骤二：根据试验缩尺比确定探头安装板的厚度，制作与探头个数配套的探头安装板，并在探头安装板上设置刻度；探头安装板如图4所示，根据关注区域的高度范围，确定探头安装板的长度和安装孔的孔位。探头安装孔的形状与探头一致，尺寸略大于探头横截面。安装板的宽度不宜过大，应与流线型壳体配套，厚度不宜过小，应保证探头与安装板所在平面的垂直度。

所述步骤二中，探头安装板上、下部均标有刻度，可实现测点高度的整体实时调整，在不影响壳体流线型外形并保证壳体尺寸不过大的前提下，探头安装板的厚度不宜过薄，以保证探头的与壳体的垂直度。所述步骤二中，板上的探头安装孔配有定位槽，防止探头在安装过程中发生转动。

步骤三：制作长度与安装板长度相同的流线型壳体，在流线型壳体内设置与探头安装板配套的卡槽，在卡槽的顶部和底部设置紧固螺栓；

所述步骤三中，壳体前部需开槽形孔，宽度由各个高度五孔探头的尺寸所决定。在满足多孔探头安装要求的基础上，流线型壳体的整体体量应尽可能小，以降低对拟测定的复杂条件风场的干扰。壳体须采用具有一定变形性能的材料，表面需做抛光处理，使其尽可能光滑。

步骤四：在流线型壳体顶部和底部分别固定设置开了孔的壳体安装板和水准板，两者通过连接件进行连接，在水准板上安装气泡水平仪，并制作配套的盖板，保证装置内腔体的密闭性。由于壳体的体量较小，壳体安装板、壳体和卡槽应一体成形，避免复杂的组装工作，可采用3D打印进行制作。气泡水平仪可直接用强力胶水黏在水准板上，但须保证黏结的可靠性及水平仪的初始水平度。

多孔探头为前后分段的分离式探头，可根据后部壳体的尺寸调整探头长度，使其足够长，保证探头测得的风场不受后部壳体的干扰。

所述步骤四中，壳体安装板的开孔深度小于其厚度，开孔形状与壳体的横截面相同，但是略大于其横截面，方便盖板的搁置和移除，水准板的开孔上下贯通，开孔尺寸和形状与壳体安装板相同。

所述步骤四中，壳体安装板和水准板的连接件需保证两块板能绕连接件的安装轴自由转动。

本发明在具体操作时，将各个多孔探头安装到探头安装板上，在多孔探头尾部插入毛细针管，并通过硅胶管连接到压力扫描阀上；随后，将其整体插入壳体的卡槽中，用紧固螺栓锁死，硅胶管从壳体的一侧伸出，另一侧用盖板密封；将装置放入边界层风洞中，在不同风向角(包括水平偏角和竖向俯仰角)的来流下对其进行标定；将整个发明装置安装至需测定风速剖面的复杂地形条件下的某个空间位置，调整水准板水平，计算水准板与壳体安装板的夹角，明确多孔探头的局部坐标系与整体坐标系的转换关系，通过多孔探头的测试结果，换算得到目标区域在整体坐标系下的三维风速。

上述具体实施方式仅用于说明本发明的使用方法，而不是对本发明的使用范围进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都属于本发明的保护范围。