一种风洞内截面风速监测装置和监测系统的制作方法

本实用新型涉及风洞风速测定领域，具体涉及一种风洞内截面风速监测装置和监测系统。

背景技术：

风洞是空气动力学研究和试验中最广泛使用的工具，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备，空气通过一个强大的风扇系统或其他方式吹过被测物体，被测物体上安装有适当的传感器来测量空气动力、压力分布或其他与空气动力学相关的特性参数。

在风洞实验过程中，风速测定是一项重要的内容，通常测量风速的方法有三种：热式探头风速测量、叶轮式探头风速测量、皮托管式风速测量。但三种测量方法都有各自对应适用的风速测定范围和测量精度限制，很难只使用一种测量方法就完成风洞从小风速到大风速较大范围风速的精确变化测量，在部分风速范围会有较大误差，进而影响后续风洞实验结果。目前虽然有部分专门适用于风洞全程风速的风速测定仪器，但这些仪器设备通常造价昂贵，安装使用也较为复杂，不利于广泛的推广使用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风洞内截面风速监测装置，所述风洞内截面风速监测装置能够实时准确地测定出风洞内截面各处的风速，且该风洞内截面风速监测装置的结构简单，造价低廉，便于推广使用。

本实用新型的第二个目的在于提供一种应用上述风洞内截面风速监测装置的风洞内截面风速监测系统，所述风洞内截面风速监测系统能够对风洞内截面的实时风速进行监测并能够根据监测的结果对风洞内流场稳定性给出客观参考。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：

一种风洞内截面风速监测装置，包括安装支架以及设置在安装支架上的若干个摆动测风机构，其中，

所述安装支架包括支撑底座、设置在支撑底座上的纵向支撑杆以及若干根横向支撑杆，其中，所述纵向支撑杆竖直设置在所述支撑底座上，所述横向支撑杆水平设置在所述纵向支撑杆上；所述摆动测风机构沿着所述横向支撑杆的长度方向设置；

所述摆动测风机构包括测风挡板、设置在测风挡板与所述横向支撑杆之间的用于支撑所述测风挡板在风力作用下始终保持竖直状态做摆动运动的摆动支撑机构以及用于检测所述测风挡板的摆动角度的检测机构，其中，所述测风挡板中的与所述风洞内截面平行的侧面为该测风挡板的迎风面，当所述测风挡板在风力作用下做摆动运动时，所述测风挡板的迎风面始终与风洞内截面平行。

优选的，所述摆动支撑机构为平行四连杆机构，所述平行四连杆机构包括竖直设置的上固定杆和下摆动杆以及用于连接所述上固定杆和下摆动杆的前转动杆和后转动杆，其中，所述上固定杆安装在所述横向支撑杆上，所述下摆动杆上设置有竖直安装位置，所述测风挡板通过竖直安装位置竖直安装在所述平行四连杆机构的下方；所述前转动杆和后转动杆的一端与所述上固定杆转动连接，另一端与所述下摆动杆转动连接；所述检测机构为角度传感器，所述角度传感器安装在所述上固定杆处，通过检测所述平行四连杆机构的前转动杆或/和后转动杆与上固定杆之间的转动角度来确定所述测风挡板的摆动角度。

优选的，所述纵向支撑杆为两根，两根纵向支撑杆平行设置，所述横向支撑杆为多根，多根横向支撑杆沿着所述纵向支撑杆的长度方向竖直排列，且该横向支撑杆的两端分别与所述纵向支撑杆连接；每根横向支撑杆上等距设置有多个安装孔；所述若干个摆动测风机构的上固定杆分别安装在每个安装孔上。

优选的，所述纵向支撑杆和横向支撑杆均由伸缩杆构成，所述伸缩杆上设有用于对该伸缩杆的长度进行调节的调节机构，所述调节机构包括设置在所述伸缩杆上的螺纹孔以及与所述螺纹孔配合的定位螺钉。

优选的，所述前转动杆或/和后转动杆与上固定杆或/和下摆动杆之间均通过超低摩擦轴承转动连接。

优选的，所述角度传感器实时测得的前转动杆或/和后转动杆与上固定杆之间的转动角度的适用范围是0°至90°。

一种风洞内截面风速监测系统，包括所述风洞内截面风速监测装置、设置在所述风洞内截面风速监测装置的摆动测风机构上的转动角度监测系统以及地面监测系统，其中，所述转动角度监测系统包括用于对摆动测风机构的角度变化状态进行实时监测的监测模块、用于对监测数据进行存储的数据存储模块以及无线通信模块，其中，所述监测模块包括转动角度监测单元，所述转动角度监测单元由所述若干个测试点位上的角度传感器构成，其中，每个摆动测风机构构成一个测试点位；所述地面监测系统包括用于与风洞内截面风速监测装置之间进行通信的地面通信模块和用于将从风洞内截面风速监测装置上接收到的实时转动角度变化监测信息进行处理的信息处理模块。

一种风洞内截面风速监测方法，包括以下步骤：

a、根据风洞的截面尺寸合理选择适合的安装支架中的纵向支撑杆长度以及横向支撑杆长度和数量，确定各层横向支撑杆的竖直间隔H，确保H＞h，其中，所述h为前转动杆或/和后转动杆的长度，随后在风洞内开始搭建安装支架；

b、确定风速测试方案，选取配套了适合重量规格的测风挡板且合适数量的风洞内截面风速监测装置安装到横向支撑杆上的各个安装位置，所述测风挡板的迎风面积为S，自重为G；

c、测量计算出风洞内的空气密度ρ，输入到风洞内截面风速监测系统中，对风洞内截面风速监测系统进行测试前调试，保证转动角度监测系统、地面监测系统以及风洞控制系统三方通信正常，数据链接收处理正常；

d、风洞正常开机出风，远程控制风洞内截面风速监测装置开始工作；

e、测风挡板受风力影响开始带动平行四连杆机构进行摆动，风洞内截面风速监测装置中的角度传感器开始对前转动杆或/和后转动杆与上固定杆之间的转动角度θ的变化进行实时记录，得到的数据信息被实时保存在数据存储模块中；

f、无线通信模块将数据存储模块存储的转动角度数据实时回传至地面监测系统；

g、地面监测系统的信息处理模块对数据进行处理分析，得到每个测量点位的实时风速V0；

h、信息处理模块同时对各个测量点位的风速信息进行整合分析处理，进而得到风洞该截面的平均风速大小、有效风速区域范围、紊流度及均匀稳定性。

优选的，在步骤g中，所述测量点位的实时风速V0由伯努利方程的风速压力关系公式和测风挡板的实时受力分析公式拟合分析得到，具体计算公式为：

式中，V0为测试点位的实时风速，单位为m/s；G为测风挡板的重力，单位为kN；θ为前转动杆或/和后转动杆与上固定杆之间的转动角度，单位为°；S为测风挡板的迎风面积，单位为m²；ρ为风洞内的空气密度，单位为t/m³；所述风洞内截面风速均匀稳定性通过各测试点位测定风速值的变异系数CV值的大小来表征，变异系数越小，表示同一截面的风速均匀稳定性越好，所述变异系数CV的计算公式为：

式中，Sd为同组试验采集样本标准差；Vi为各测试点位风速，单位为m/s；V平为各组试验测试点位的风速平均值，单位为m/s；n为各组试验测风点位个数。

优选的，在步骤c中，所述空气密度ρ的计算公式为：

ρ＝0.0125e^-0.0001z

式中，z为测试地点的海拔高度，单位为m；或者，所述空气密度ρ可根据温度、湿度和气压函数得到空气容重γ后，再结合当地的重力加速度g进行转换计算。

本实用新型与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、本实用新型的风洞内截面风速监测装置不同于传统的测风设备仪器，该风洞内截面风速监测装置使用前会测定空气密度并代入后续的分析计算，可以有效降低由大气温度、湿度等引起的环境气压的变化而造成的误差，以适应多种大气环境，使测量精度提高。

2、本实用新型的风洞内截面风速监测装置不仅能快速而准确地测量风洞内截面区域内的单一线性测量点位的风速大小，还可以进行截面多梯度的风速数据的测量分析，并且通过无线通信模块，使得风速数据可以及时传递到后台。

3、本实用新型的风洞内截面风速监测装置整体结构简单，体积小，不仅减小了由监测装置自身体积带来的流场误差，监测结果的精度较高，而且使用方便灵活，仅需要更换测风挡板的重量就可以实现风洞从小风速到大风速较大范围风速的精确变化测量。

4、本实用新型的风洞内截面风速监测装置维护简便，便于安装、拆卸，成本低，易于推广普及。为精确测量风速数据提供一种新颖快速的测试方式，可在农业生产、航空航天、环境监测等领域发挥重要作用。

附图说明

图1为本实用新型的风洞内截面风速监测装置的具体实施方式的结构示意图。

图2为图1所示的安装支架的结构示意图。

图3为图1所示的摆动测风机构的结构示意图。

图4为所述测风挡板的受力分析图。

图5为本实用新型的风洞内截面风速监测系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

参见图1-图4，本实用新型的风洞内截面风速监测装置包括安装支架1以及设置在安装支架1上的摆动测风机构2，其中，所述安装支架1包括支撑底座11、设置在支撑底座11上的纵向支撑杆12以及若干根横向支撑杆13，其中，所述纵向支撑杆12竖直设置在所述支撑底座11上，所述横向支撑杆13水平设置在所述纵向支撑杆12上；所述摆动测风机构2沿着所述横向支撑杆13的长度方向设置，该摆动测风机构2包括测风挡板21、设置在测风挡板21与所述横向支撑杆13之间的用于支撑所述测风挡板21在风力作用下始终保持竖直状态做摆动运动的摆动支撑机构22以及用于检测所述测风挡板21的摆动角度的检测机构23，其中，所述测风挡板21中的与所述风洞内截面平行的侧面为该测风挡板21的迎风面，当所述测风挡板21在风力作用下做摆动运动时，所述测风挡板21的迎风面始终与风洞内截面平行，该测风挡板21的迎风面积为S，自重为G。

在监测过程中，所述测风挡板21的重量准确且不唯一，视待测试风速大小有多种不同对应重量规格的测风挡板21可供选择，同时要求每次风速监测使用安装的所有测风挡板21必须为同一重量规格，彼此间的重量误差不能超过0.2％。

参见图1-图4，所述摆动支撑机构22为平行四连杆机构，所述平行四连杆机构包括竖直设置的上固定杆221和下摆动杆222以及用于连接所述上固定杆221和下摆动杆222的前转动杆223和后转动杆224，其中，所述上固定杆221安装在所述横向支撑杆13上，所述下摆动杆222上设置有竖直安装位置，所述测风挡板21通过竖直安装位置竖直安装在所述平行四连杆机构的下方；所述前转动杆223和后转动杆224的长度为h，该前转动杆223和后转动杆224的一端与所述上固定杆221转动连接，另一端与所述下摆动杆222转动连接；所述检测机构23安装在所述上固定杆221处，通过检测所述平行四连杆机构的前转动杆223或/和后转动杆224与上固定杆221之间的转动角度θ来确定所述测风挡板21的摆动角度。这样，所述测风挡板21的迎风面受风力作用后可以带动平行四连杆机构做自由摆动，且在摆动过程中，所述测风挡板21始终保持着竖直状态，使得风力可以垂直作用在所述测风挡板21的迎风面上，从而提高测量的精度。由于平行四连杆机构的结构特性，所述测风挡板21的摆动角度与所述平行四连杆机构的前转动杆223或/和后转动杆224的转动角度θ相等，因此，通过检测机构23实时检测所述前转动杆223或/和后转动杆224的转动角度θ就可以得到所述测风挡板21的实时的摆动角度。此外，由于平行四连杆机构的运动特性，使得所述测风挡板21在风力作用下做摆动运动的过程中，所述测风挡板21始终保持竖直状态。这样使得所述测风挡板21的迎风面积S始终保持不变，从而可以提高后续计算各个测试点位的风速的精度。

参见图1-图4，本实施例中的检测机构23为角度传感器。

参见图1-图4，所述纵向支撑杆12为两根，两根纵向支撑杆12平行设置，所述横向支撑杆13为多根，多根横向支撑杆13沿着所述纵向支撑杆12的长度方向竖直排列，且该横向支撑杆13的两端分别与所述纵向支撑杆12连接；每根横向支撑杆13上等距设置有多个安装孔131；所述多个摆动测风机构2的上固定杆221安装在所述安装孔131上。这样使得本实用新型的风洞内截面风速监测装置不仅可以测量风洞内截面区域内的单一线性测量点位的风速大小，而且可以测量风洞内截面区域内的各个位置的测量点的风速大小。

参见图1-图4，所述纵向支撑杆12和横向支撑杆13均由伸缩杆构成，所述伸缩杆上设有用于对该伸缩杆的长度进行调节的调节机构，所述调节机构包括设置在所述伸缩杆上的螺纹孔以及与所述螺纹孔配合的定位螺钉14。这样，所述横向支撑杆13和纵向支撑杆12的长度可以根据风洞内截面的大小进行适应性调整，从而适用于不同截面大小的风洞。

参见图1-图4，所述前转动杆223或/和后转动杆224与上固定杆221或/和下摆动杆222之间均通过超低摩擦轴承转动连接。

参见图1-图4，所述角度传感器实时测得的前转动杆223或/和后转动杆224与上固定杆221之间的转动角度θ的适用范围是0°至90°。

参见图1-图5，本实用新型的应用风洞内截面风速监测装置的风洞内截面风速监测系统包括所述风洞内截面风速监测装置、设置在所述风洞内截面风速监测装置的摆动测风机构2上的转动角度监测系统3以及地面监测系统4，其中，所述转动角度监测系统3包括用于对摆动测风机构2的角度变化状态进行实时监测的监测模块31、用于对监测数据进行存储的数据存储模块32以及无线通信模块33，其中，所述监测模块31包括转动角度监测单元311，所述转动角度监测单元311由所述若干测试点位的角度传感器构成；所述地面监测系统4包括用于与风洞内截面风速监测装置之间进行通信的地面通信模块41和用于将从风洞内截面风速监测装置上接收到的实时转动角度变化监测信息进行处理的信息处理模块42。上述中所提及的转动角度监测系统3和及地面监测系统4可以参照现有的装置实施。

参见图1-图5，本实用新型的风洞内截面风速监测方法包括以下步骤：

a、根据风洞的截面尺寸合理选择适合的安装支架1中的纵向支撑杆12长度以及横向支撑杆13长度和数量，确定各层横向支撑杆13的竖直间隔H，确保H＞h，在风洞内开始搭建安装支架1；

b、确定风速测试方案，选取配套了适合重量规格的测风挡板21且合适数量的风速监测装置安装到横向支撑杆13上的各个安装孔131上；

c、测量计算出风洞内的空气密度ρ，输入到风洞内截面风速监测系统中，对风洞内截面风速监测系统进行测试前调试，保证转动角度监测系统3、地面监测系统4以及风洞控制系统三方通信正常，数据链接收处理正常；

d、风洞正常开机出风，远程控制风洞内截面风速监测装置开始工作；

e、测风挡板21受风力影响开始带动平行四连杆机构进行摆动，风洞内截面风速监测装置中的角度传感器开始对前转动杆223或/和后转动杆224与上固定杆221之间的转动角度θ的变化进行实时记录，得到的数据信息被实时保存在数据存储模块32中；

f、无线通信模块33将数据存储模块32存储的转动角度数据实时回传至地面监测系统4；

g、地面监测系统4的信息处理模块42对数据进行处理分析，得到个测量点位的实时风速V0；

h、信息处理模块42同时对各个测量点位的风速信息进行整合分析处理，进而得到风洞该截面的平均风速大小、有效风速区域范围、紊流度及均匀稳定性等信息。

其中，在步骤g中，所述测量点位的实时风速V0由伯努利方程的风速压力关系公式和测风挡板21的实时受力分析公式拟合分析得到，具体计算公式为：

式中，V0为测试点位的实时风速，单位为m/s；G为测风挡板21的重力，单位为kN；θ为前转动杆223或/和后转动杆224与上固定杆221之间的转动角度，单位为°；S为测风挡板21的迎风面积，单位为m²；ρ为风洞内的空气密度，单位为t/m³；其中，参见图4，对测风挡板21进行受力分析，可知所述F风为各个测试点位处的风力大小，每一个摆动测风机构2构成一个测试点位；所述风洞内截面风速均匀稳定性通过各测试点位测定风速值的变异系数CV值大小来表征，变异系数越小，表示同一截面的风速均匀稳定性越好，所述变异系数CV的计算公式为：

式中，Sd为同组试验采集样本标准差；Vi为各测试点位风速，单位为m/s；V平为各组试验测试点位风速平均值，单位为m/s；n为各组试验测风点位个数。

其中，在步骤c中，所述空气密度ρ的计算公式为：

ρ＝0.0125e^-0.0001z (4)

式中z为测试地点的海拔高度，单位为m；同时，所述空气密度ρ也可以根据温度、湿度和气压函数得到空气容重γ后，结合当地的重力加速度g进行转换计算。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。