一种龙卷风模拟器的制作方法

本发明涉及龙卷风模拟器，特别是涉及一种便捷可拆卸、可控入流风、可观测内部空间的龙卷风模拟器。

背景技术：

龙卷风是一种出现在强对流云内的漏斗状旋涡，其破坏力强，特征显著。它是一种具有中心旋涡、极大速度、螺旋上升的风暴，并伴有冰雹、闪电、强降雨等极端天气，会对基础设施和建筑物造成巨大破坏，导致人员伤亡。在我国每年大约有几十起龙卷风发生，我国东部地区和广东地区可观测到龙卷风，我国的龙卷风持续时间短暂，大致在十分钟左右，移动路径在几百米到上千米之间。建筑和基础设施正常使用期间，受到龙卷风袭击的概率较小，然而一旦发生龙卷风，将导致生命财产损失，后果非常严重。

现有手段对龙卷风预测的准确率非常低，而且中国的龙卷风发持续时间短，这样的现实条件导致我们不能有效地跟踪到龙卷风，采集到有价值的数据。并且龙卷风的判断手段及灾害评定，主要是灾后进行的，龙卷风发生时，现有的气象雷达对龙卷风的确定和持续跟踪也很弱，同时龙卷风的直观观测也具有一定的危险性。因此，实验研究和数值模拟成为我们认识研究龙卷风的主要手段和方式。而实验研究具有真实性、直观性和综合性，是工程研究中不可或缺的部分。

现有的龙卷风模拟器，大多数以ward型为原型，由产生上升气流的风机和产生旋转气流的导流板组成，在龙卷风发生空间内，产生了旋转上升的、具有切向速度和径向速度的风场。然而现有的ward型模拟器，在模拟龙卷风的水平移动上，主要由发生器或者底部承台的移动来实现，并不是真正意义上涡旋主动的移动，同时可改变参数较少，也无法观测内部空间的情况。

为了进一步研究龙卷风对建筑物和基础设施的作用，也是对已有的龙卷风模拟器在模拟移动龙卷风的方式上、实现内部观测和监控上的改进，客观上需要研发新的解决方案。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有的龙卷风模拟器在模拟移动龙卷风的方式上的不足，突破无法直观观测等限制，本发明提供了一种可灵活安装拆卸的、透明可视的、可任意改变尺寸的龙卷风模拟器，以便用于工程实验，以研究龙卷风的风场特性及其对结构的作用。

本发明涉及一种便捷施工、可视化的一种龙卷风模拟器，包括伺服电机控制的鼓风机，可调节角度的入流口，有机玻璃的外壳，顶部可转动和侧向的出风口。通过可控电机联动的鼓风机，形成函数编辑可控的风速；通过透明的有机玻璃，直观观测龙卷风成风区域的情况；通过在平台底部放置颜料粉末，形成彩色的龙卷风；通过拼板的连接方式，达到简便易行的施工组装；通过旋转移动的出流面板形成移动的出流口。通过在龙卷风发生空间采用tfi眼镜蛇探头对风的数据采集，完成对风场的实时监控。

可调控的伺服电机连接鼓风机，将得到可控风速。首先找到转速和鼓风机风速之间的关系，建立函数关系，考虑转速和风速之间的转换关系，编写伺服电机的速度函数，得到速度可控的入流风速。

进气口处，进风管灵活连接龙卷风发生空间，可调控进风管的角度，实现入流风的角度的调节。由于本发明龙卷风模拟器主要由有机玻璃板拼接而成，每个进风管处代表一个入流面，多边棱柱近似拟合于一个圆柱，所以可调控角度和速度的多边棱柱入流面近似于可调控速度的圆柱面。

龙卷风发生空间由两部分组成，一个是底部的入流区域，另外一个中间的发生区域，整个机构的外壳主要由有机玻璃拼接而成，竖直方向的由合页连接，水平板件和竖直板件由角铁连接，板件之间的缝隙由发泡剂密实，便于施工和清理，适合多次应用。

龙卷风发生空间的底部放置颜料粉末，在风场的作用下，颜料粉末随着风场流动，呈现螺旋上升的彩色状态，由于龙卷风发生器主要是由透明的有机玻璃连接而成，所以能从外部直接观测到龙卷风的形态特征。

在龙卷风发生空间内部采用tfi眼镜蛇探头对龙卷风风场进行数据采集，实现对风场的判断，反馈到对风场入流的调整。眼镜蛇探头分布位置包括，靠近入流口位置，底部中心区域附近，底部中心区域，龙卷风发生空间上部、中部、下部的边界区域以及中心区域。

风场出流面，可选择设置在侧面面板和顶部面板上，设置在顶部面板上时，顶部面板可用轴承连接绕中心轴转动，出流口设置在非中心区域，旋转出流面板形成移动的出风口，龙卷风顶部实现绕中心旋转移动。

附图说明

图1是本发明龙卷风模拟器的风场空间；

图2为龙卷风发生空间的剖面图及tfi眼睛神探头分布；

图3为有机玻璃竖直板件、平面板件间合页连接示意图，竖直和水平板件间角钢连接。

图4为可转动的顶板处的剖面图。

图5为电脑控制的伺服电机联动鼓风机。

图6为送风管道连接的入流口处的示意图。

附图标记：、

1、入流口；2、龙卷风发生空间；3、侧面板；4、顶板；5、合页；6、发泡填缝剂；7、钉子；8、送风管道；9、鼓风机；10、伺服电机；11、多点滚轴；12、电脑；13、转动轴承；14、防风毛刷；15、tfi眼镜蛇探头。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。需要说明的是，附图采用非常简化的形式和非精确的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本发明的目的。

如图1、2、3、4、5、6所示，本发明为一种龙卷风模拟器，该装置包括机电传动控风装置、送风管道、龙卷风发生空间、出流面。控风装置由电脑控制伺服电机，电机联动鼓风机构成，确保风速按照设定函数的方式输入到龙卷风发生空间。送风管道连接的入流口通过转动轴承和防风毛刷灵活转动，使得入流风多角度进入流，龙卷风发生空间由透明的有机玻璃材料拼接而成，安装、拆卸灵活。出流面可选择在侧面板以及顶板布置。顶板设置环形凹槽，由多点滚轴保证固定，可绕中点转动，实现龙卷风顶部的移动。另外出流面可安装排风扇，控制出流面的风速。龙卷风发生空间的底面，放置颜料粉末，可以直观观察龙卷风的形态，内部设置tfi眼镜蛇探头，监测风速。眼镜蛇探头分布位置包括，靠近入流口位置，底部中心区域附近，底部中心区域，龙卷风发生空间下部边界区域，中部边界区域，上部边界区域，以及下部中心区域，中部中心区域，上部中心区域。

本发明中由于主要板件有机玻璃，轻质、高强、透光性好，所以采用合页和角钢的连接方式，竖直板件、平面板件间由合页连接，竖直和水平板件间由角钢连接，另外板件间的缝隙由发泡填缝剂密实，这样能够实现板件的二次利用不被影响。

本发明中，如果设备由于尺寸的原因，导致重量很大，可设置框架辅助承重。

本发明中，所有的硬件组件的设计开发都以能适应现场的环境为前提。

本发明中，不限定设备及配件尺寸，由具体实施过程中考虑。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护。

技术特征：

1.一种龙卷风模拟器，它包括机电传动控风装置、送风管道、龙卷风发生空间、出流面；其特征在于：所述的机电传动控风装置包括由电脑控制伺服电机，电机联动鼓风机构成，所述的送风管道上方设置有入流口，送风管道内部设置转动轴承和防风毛刷；龙卷风发生空间由透明的有机玻璃拼接而成，出流面设置在侧面板以及顶板；所述的顶板与侧面板之间设置环形凹槽，由多点滚轴保证固定，可绕中点转动；出流面可安装排风扇。

2.根据权利要求书1所述的龙卷风模拟器，其特征在于：可控电机联动的鼓风机，形成函数编辑可控的风速。

3.根据权利要求书1所述的龙卷风模拟器，其特征在于：龙卷风发生空间的底面，放置颜料粉末。

4.根据权利要求书1所述的龙卷风模拟器，其特征在于：有机玻璃板材由合页和角钢连接，水平板件和竖直板件由角铁连接，板件之间的缝隙由发泡剂密实。

5.根据权利要求书1所述的龙卷风模拟器，其特征在于：龙卷风发生空间内部设置tfi眼镜蛇探头，眼镜蛇探头分布位置包括：靠近入流口位置，底部中心区域附近，底部中心区域，龙卷风发生空间下部边界区域，中部边界区域，上部边界区域以及下部中心区域、中部中心区域、上部中心区域。

技术总结
本发明公开了一种龙卷风模拟器，该装置包括机电传动控风装置、送风管道、入流连接口、龙卷风发生空间、出流面。控风装置由伺服电机联动鼓风机组成，通过编写速度函数控制伺服电机，建立电机速度和风速之间的关系，保证风速按照预定方式输入到送风管道，精确控制各个方向的入流风。入流连接口可灵活转动，实现入流风多角度流入龙卷风发生空间。龙卷风发生空间由透明的有机玻璃(PMMA)材料拼接而成，安装、拆卸简便，同时实验人员透过有机玻璃，可直观观测到风场情况。本发明模拟的龙卷风风场环境能达到工程试验的要求，解决以往人造龙卷风模拟器体量大、不易移动、不易改变尺寸的不足。

技术研发人员：王浩;郎天翼;张寒;徐梓栋;梁旭东
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2019.09.23
技术公布日：2020.10.30