一种风洞试验装置及使用方法与流程

本发明涉及一种风洞试验装置及使用方法，尤其涉及一种城市人行高度水平风场测试的风洞试验装置及使用方法。

背景技术：

随着城市化进程的加速，城市空间的变化导致了一系列的城市微气候问题，通过研究城市人行高度的风场特征，可以了解城市风环境与城市空间的耦合机理，从而在建筑和规划设计角度出发，提高人行高度的风环境质量，改善城市微气候。因此研究城市人行高度的风场特征是解决城市室外通风相关问题的重要环节。

现阶段应用于城市人行高度风场测试的方法主要有现场测试、计算流体力学数值模拟和风洞试验。伴随风洞试验的发展，在风洞试验中通过测试仪器对缩尺模型指定位置进行数据采集，不仅可以了解城市建成区风场特征，也可以对城市拟建区风场进行预测；风洞试验更是验证计算流体力学软件分析结果准确性的重要手段之一。虽然风洞试验起步较早，但是多应用于航空航天、汽车制造、建筑结构荷载设计等领域。风洞应用于城市风环境研究开始较晚，研究对象和研究目的有别于之前的风洞试验，因此在试验操作方面还有许多亟需改进和完善之处。城市人行高度风场测试的风洞试验，待测试对象一般面积较大，包括一个城市街区甚至一个城市片区，且测试对象内的建筑形态和空间布局复杂，如商业、住宅、学校、体育馆等多类建筑，测试高度离地面较近，实际测试高度为1.5～2米，而反映在风洞缩尺模型上仅有几毫米。试验对象本身的特殊性及测试要求的特殊性，导致针对城市人行高度风场测试的风洞试验存在操作困难、成本较高的问题。

现阶段在城市风环境研究领域开展的风洞试验所研究的类型主要有两类；一种是使用示踪粒子结合摄像机拍摄，捕捉获取不同工况风场情况下街谷内烟气流动和污染物扩散情况；另一种是使用单点测试探头结合仪测架，测试固定点位的风速风压。第一种试验技术需要依赖经验选择示踪粒子类型、示踪粒子散发位置，并且对捕捉示踪粒子路径的摄像机要求较高，整个试验过程的控制要求专业的操作水准，因此对于建筑设计及城市规划专业领域的人员而言，具有较大的操作难度，且完成一次试验需要消耗大量的人力和物力资源；第二种单点测试技术，通常需要结合仪测架使用，在测试风洞模型中人行高度的风速和风压时，探头与仪测架需要非常接近地表，约5毫米，对试验风场形成干扰，从而影响测试结果。此外，城市人行高度风环境测试通常需要多点测试结果构成完整的数据场，该过程需要在风洞试验中不断更换探头位置，增加了试验的时间成本和难度。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种风洞试验装置，能够减少试验初期探头定位和钻孔的准备工作；构建一个探头与压力扫描阀的连接导管的布置空间；能够实现无转盘风洞不同风向的测试。

本发明的另一个目的是提供基于该装置的使用方法。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种风洞试验装置，包括底盘、以底盘中心为圆心所设置的环形托架和环形轨槽；所述环形托架包括呈上下平行设置的形状相同的顶层和底层，在顶层与底层之间设置有至少四根立柱形成空心结构；所述环形托架的顶层通过防滑胶圈固定在底盘的背面，所述环形托架的底层放置于环形轨槽内，所述环形轨槽的底部固定有柔性垫片并放置在风洞地面上；所述底盘上预留探头孔。

作为优选，所述底盘为硬质abs材料，其厚度不小于10mm。

作为优选，所述探头孔上设置有配套的孔塞，所述孔塞通过柔性连接件固定在底盘背面。

作为优选，所述环形托架的底层间隔设置有滚轮。

作为优选，所述滚轮可沿环形轨槽做圆周滑动。

作为优选，所述立柱朝底盘中心的一侧设置有第一支架，其对应的另一侧设置有第二支架，所述第一支架和第二支架等高布置且以底盘为中心形成散射状结构，所述第一支架的一端固连在以底盘中心为圆心的圆环上；所述第一支架和第二支架的连接处立柱上还设置有第三支架，所述第三支架为以底盘中心为圆心的环形结构。

作为优选，所述第一支架、第二支架、第三支架和圆环构成架空层。

更优选地，所述第三支架可沿环形托架外圆周方向呈同心环状排布设置在第二支架上。

更优选地，所述环形托架采用厚度5-10mm的低碳钢材料制成。

更优选地，所述环形轨槽、第一支架、第二支架、第三支架和圆环均采用厚度不大于10mm的低碳钢材料制成。

更优选地，所述第一支架和第二支架的底端与底盘顶层之间的高度设置在800mm以上，与风洞地面之间的高度设置在500mm以上。

作为优选，所述柔性垫片的厚度不小于5mm。

作为优选，所述底盘的四周测试段内铺设有与底盘测试高度一致的挤塑泡沫板。

本发明所述的一种风洞试验装置的使用方法，包括如下步骤：

(a)根据测试风洞及探头的尺寸，确定底盘上预留探头孔的尺寸及孔洞间距，定制本装置所需部件并组装；

(b)将试验案例按照研究需求做成缩尺模型，并粘贴在底盘上；

(c)将本装置除底盘外的剩余部件安置于风洞内，保持本装置的中心线与风洞内洞口的中心线一致；

(d)将底盘上需要测试水平风场数据处的孔塞打开，将探头安置于预留探头孔内，将导管的一端连接探头后，另一端沿着第一支架、第二支架、第三支架和圆环所构成的架空层顺着风洞内洞口穿出风洞底部；

(e)将底盘放置在防滑胶圈上，保持底盘的中心线与风洞内洞口的中心线一致；

(f)将穿出风洞底部的导管另一端与风洞外部的压力扫描阀连接；

(g)在底盘四周的测试段内铺设与底盘测试高度一致的挤塑泡沫板；

(h)开始风洞试验。

有益效果：本发明提供的一种城市人行高度水平的风场测试的风洞试验装置及使用方法，构造简单，操作方便，降低了试验操作难度和成本，具有如下有益效果：

(1)通过在底盘预留探头孔，直接实现了探头孔的定位，免去了钻孔工作，提高了探头定位的准确性和规律性，可获得缩尺模型具体位置的风场数据，节省了试验准备时间；同时底盘的半径和探头孔间距的大小可根据不同试验城市区域的面积大小及缩尺比例自行设计，满足了不同试验对象的试验要求；并且通过设计探头的探针高度，可获得近地面任意高度水平的具体点位的风场数据；

(2)通过第一支架、第二支架、第三支架和圆环在底盘下部构建出架空空间层，用于布置探头与风洞外部的压力扫描阀的连接导管，使导管在架空空间层内沿支架向底盘中心汇聚后，从风洞内洞口穿出，保证导管不受压，使试验数据采集工作顺利进行；同时最大程度地缩短了导管使用长度，降低了成本及导管过长增加实验结果的不准确性，提高了试验数据采集的准确性；

(3)在不移动试验模型的前提下，实现了无转盘风洞不同风向的测试；

(4)通过沿底盘测试段四周围铺设与底盘测试高度一致的挤塑泡沫板，抵消了缩尺模型地面与风洞地面的高度差，降低了试验误差，进一步提高了风洞试验结果的准确性。

附图说明

图1是本发明底盘结构的正面示意图；

图2是本发明底盘结构的背面示意图；

图3是图1沿a-a方向的剖面图；

图4是本发明支架结构的立体断面示意图；

图5是本发明装置安装完成的俯视图；

图6是图4沿c-c方向的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明的一种风洞试验装置，包括：底盘1、以底盘1中心为圆心所设置的环形托架7和环形轨槽9，环形托架7包括呈上下平行设置的形状相同的顶层和底层，在顶层与底层之间设置有至少四根立柱21形成空心结构，有利于导管19穿过；环形托架7的顶层通过防滑胶圈15固定在底盘1的背面，所述环形托架7的底层放置于环形轨槽9内，所述环形轨槽9的底部粘贴有柔性硅胶垫片10并放置在风洞地面2上。

底盘1用于试验过程中安装缩尺模型20和欧文探头18，底盘1的材质为硬质abs材料，其厚度不小于10mm，底盘1的半径r1根据风洞内截面宽度b自定，底盘1的外边缘距风洞内侧面12的距离d5＝b/2-r1。底盘1上根据缩尺模型20的比例及研究需求按照水平间距x，竖直间距y呈网格状预留探头孔3，探头孔3的孔径与探头18直径一样为r。在底盘1反面加工预留探头孔3，保证底盘1正面平滑，预留探头孔3中的孔塞17通过硅胶材质的柔性连接件16固定在底盘1上，孔塞17可在试验过程中根据测试需求从底盘1的反面轻松打开，便于安装欧文探头18。底盘1通过防滑胶圈15安置在环形托架7上面，防滑胶圈15采用密封性较好的黑橡胶材质，粘贴在环形托架7上端内外两侧，环形托架7采用厚度10mm强度高的低碳钢材质制成。

其中，每个立柱21朝底盘1中心的一侧焊接有钢构材质的第一支架5，其对应的另一侧焊接有钢构材质的第二支架4，第一支架5和第二支架4在环形托架7的内/外两侧等高布置，且以底盘1的中心形成散射状结构，第一支架5的一端最终汇聚到以底盘1中心为圆心、半径大于等于风洞内洞口6的半径r2的圆环22上。第一支架5和第二支架4的连接处立柱21上还焊接有钢构材质的第三支架11，第三支架11为以底盘1中心为圆心的环形支架，同时第三支架11根据需求可沿环形托架7外圆周方向呈同心环状排布设置在第二支架4上，这样所有导管19可以沿着第一支架5、第二支架4、第三支架11和圆环22所构建的架空空间层最终汇聚到底盘1的圆心处。

本实施例中，第一支架5、第二支架4、第三支架11和圆环22均采用厚度8mm的低碳钢材质，宽度根据实际情况设定，第一支架5和第二支架4的下侧距底盘1顶层的距离d7为800mm，距风洞地面2的距离d6为500mm。

环形托架7下侧装有滚轮8，滚轮8安装于环形轨槽9内并可沿环形轨槽9作圆周滑动，环形轨槽9下侧粘贴的柔性硅胶垫片10保证该装置平稳的安置在风洞内，且增加装置与风洞地面2的摩擦力，防止风洞试验过程中出现移位，柔性硅胶垫片10厚度为5mm。其中环形轨槽9尺寸也采用厚度8mm的低碳钢材质，宽度d2为150mm，环形托架7的宽度及滚轮8的尺寸可根据需求，依照环形轨槽9的尺寸自定。由于该试验装置的使用，会导致缩尺模型20的地面高度相对于风洞地面2抬高了d(即本装置总高度)，需要在风洞测试段，沿底盘1四周围满铺厚度为d的挤塑泡沫板14，以抵消缩尺模型20地面与风洞地面2的高度差，降低试验误差，提高风洞试验结果的准确性。

本装置通过使用底盘1预留探头孔3，直接完成了探头孔的定位，免去了钻孔工作，提高了探头18定位的准确性和规律性，减少了试验准备时间，并且底盘1的半径和孔间距x/y的大小可根据不同试验城市区域的面积大小及缩尺比例自行设计，同时确保典型的街道空间内沿街道宽度方向不少于2个探孔、典型广场空间内不少于1个孔，以满足不同试验对象的试验要求。进一步地，该装置通过第一支架5、第二支架4、第三支架11和圆环22在底盘1下侧构建出d7不小于800mm的架空空间层，方便布置欧文探头18与风洞外部的压力扫描阀的连接导管19(一般情况下导管数量为50-100根)，使底盘1下侧的全部导管19在架空空间层内沿架空空间层向底盘中心线13处汇聚，后从底盘中心圆环22和风洞内洞口6(风洞内洞口6是一般风洞装置均有配置，半径为r2)穿出，保证导管19不受压，同时又能缩短导管19的长度，降低成本以及导管过长增加实验结果的不准确性，减少风洞测试的影响，使试验数据采集工作顺利进行。更进一步地，通过沿底盘1四周围厚度为d的挤塑泡沫板14，抵消缩尺模型20地面与风洞地面2的高度差，降低试验误差，进一步提高风洞试验结果的准确性。

本装置的使用方法，包括如下步骤：(a)根据测试风洞及探头尺寸，确定底盘1上预留探头孔3的半径、孔洞间距x和y，以及其他相关尺寸，定制本装置各部件并组装；(b)将试验案例按照研究需求做成缩尺模型20并粘贴在底盘1上；(c)将本装置除底盘1外的剩余部件安置于风洞内，保持本装置的中心线与风洞内洞口6的中心线一致；(d)根据研究需求将底盘1上需要测试水平风场数据处的孔塞17打开，并将欧文探头18安置于预留探头孔3内，将导管19的一端连接欧文探头18后，另一端沿着第一支架5、第二支架4、第三支架11和圆环22所构成的架空层向底盘中心线13处汇聚，最后顺着风洞内洞口6穿出风洞底部；(e)将已经粘贴好缩尺模型20并安置好探头18和导管19的底盘1放置在防滑胶圈15上，保持底盘1的中心线仍与风洞内洞口6的中心线一致；(f)将穿出风洞底部的导管19的另一端与风洞外部的压力扫描阀连接；(g)在底盘1四周的测试段内铺设与底盘(1)测试高度一致、厚度为d的挤塑泡沫板14；(h)开始风洞试验。

本试验装置在风洞试验过程中，可以不做任何移动，通过预留探头孔3的不同位置定位试验探头18，便可实现无转盘风洞不同风向的测试，也可以进入风洞内仅需转动环形托架7，改动缩尺模型20与试验风向的相对角度实现不同风向的测试。