专利名称：一种可移动便携式风蚀风洞的制作方法
一种可移动便携式风蚀风洞
本发明涉及一种用于地表风蚀研究的便携式风洞设备。具体地说是一种监测野外地表风蚀、风沙流运动过程的可移动式风洞。
背景技术：
对地表风蚀问题的研究，通常采用三种基本办法，一是在自然风作用下进行风速和输沙的野外直接观测；二是实验室风洞模拟研究；三是采用移动式风洞模拟自然风，并在天然地表上直接进行风蚀测量研究。但由于自然风的短暂性和可变性，直接的野外观测周期长，对于各种风况和下垫面条件的风蚀过程之间的比较是极其困难的；对于室内风洞而言，在实验室复制野外真实的地表状况也是极其困难的；自20世纪50年代至今，美国、前苏联、澳大利亚、加拿大等国家相继建起了 20多座不同类型的移动便携风洞(见图3、图9)。在我国，中科院兰州沙漠研究所在20世纪60 年代建成了室内风沙环境风洞，但直至2003年，国内内蒙古农业大学、中国农业大学尝试建设便携式风洞(见图5、图6)。纵观国内外已有的便携式风洞，主要存在以下几个方面的问题首先，动力段中心轴线均高于实验段的中心轴线，实验段气流存在悬浮于地表流过的现象，地表风蚀效果不显著(见图4)；其次，澳大利亚和内蒙古林学院设计的风洞，没有扩压口 ；除内蒙古林学院风洞之外其余风洞没有拐角导流片，即旋转叶栅；中国农业大学和美国设计的风洞，扩散和收缩段呈不对称结构，这些都将减弱实验段气流的均勻性和稳定度。除中科院寒区旱区环境与工程研究所设计的风洞1(见图7，专利号200810182207.X) 和风洞2 (见图8)，其余风洞动力段的中心轴线均高于实验段的中心轴线，实验段气流不均勻(多集中于上部)，气流悬浮于地表流过，地表风蚀效果不显著，就中科院寒区旱区环境与工程研究所设计的风洞2，整流段底面低于实验段底面，实验段不能被放置在地面，进而不能开展原始地表的风蚀参数测量；而风洞1没有整流段，流场品质低，风机入口易进沙， 影响风机正常运转和实验的实施；纵观上述，目前国内外风洞还存在设计风速低，基本都在20ms-l以下；比较笨重， 不便移动；实验段不透光，不能满足基于现代电子技术、激光技术和数字图像处理技术等测试方法的应用。
发明内容
针对目前国内外现有便携式风洞的不足，本发明的目的旨在提供一种可移动便携式风蚀风洞。利用可移动便携式风蚀风洞，可在风洞中模拟一个独立和可控的自然风条件， 又可在野外天然地表上快速而有效的进行风蚀实验。可移动便携式风蚀风洞综合了野外直接观测和室内风洞实验两种方法的优点并避现有风洞的缺点，是风沙科学实验的一项基本设备，是进行风蚀研究的最好方法之一，在野外风成地表过程的原位实验方面具有野外直接观测和室内风洞实验所无法替代的作用。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现
—种可移动便携式风蚀风洞，风洞为直流吹气式，它是由入口段、动力段、圆形变矩形过渡段、扩散段、整流段、收缩段、第一实验段、第二实验段、第三实验段、扩压口组成， 风洞各段均由整体折弯制成的法兰相互连接，并在法兰连接处粘贴密封条；其特征在于 入口段为斜45度的上翘的圆筒形结构，外围呈外翻喇叭口 ；动力段放置风机，依次外接变频器和汽油发电机组，风机的入风口和出风口处都设有整流罩，电机放置在整流罩内，并预留有散热孔，出风口处设置了反扭导流片；扩散段和收缩段之间设置整流段，整流段由蜂窝器和阻尼网构成；第一实验段、第二实验段和第三实验段为倒扣型“η”形方筒，未设底板， 框架与沙地接触，其中的第一实验段是三节不锈钢实验段，第二实验段不锈钢框架玻璃实验段，第三实验段是不锈钢框架落地玻璃实验段，第二实验段和第三实验段左右两侧和顶部是设有合叶的有机玻璃窗，每节实验段顶部的两端都设有戴盖子的开口，置放风速测量装置；除入口段外，其余动力段、圆形变矩形过渡段、扩散段、整流段、收缩段、第一实验段、 第二实验段、第三实验段、扩压口的中心均在同一水平轴线上，且动力段、圆形变矩形过渡段、扩散段、整流段和收缩段的下地板与实验段内的地面齐平。上述变频调速风机调速范围为UOmiT1。本发明的优点和产生的有益效果是从设计和野外实验两方面出发，将该风洞较之以往国内外其它便携式风洞的优点和产生的有益效果概述如下1、本发明设计的入口段为斜45度的上翘式圆筒形结构，最外围是外翻的喇叭口。 这样的结构设计不仅防止了沙粒进入风机，更重要的是较轻的动力段和风洞所有部件的下底板都紧贴于地面。其优点一则避免了以往风洞中，气流从较高的动力段进入较低的实验段时悬浮于地表吹过的现象，使收缩段出来的气流能够紧贴实验段地面吹过；二则，也避免了气流通过下弯的拐角时发生分离、能量损失和不易导直的问题。因此，风蚀作用比起动力段被放置在车上的风洞更加明显，速度分布也更加均勻。本发明不像以往国内外野外风洞的动力段都放置在车上或支架上，动力段中心轴线均高于实验段的中心轴线，实验段气流不均勻(多集中于上部)，气流悬浮于地表流过，地表风蚀效果不显著(见图3、图9)；2、除入口段以外，其余各段的中心均在同一水平轴线上，因此，气流通过扩散、整流和收缩后能够非常平顺的进入实验段，流场更加稳定均勻；3、风洞设计了两段1. 2m长的有机玻璃实验段，实验中在玻璃实验段上覆盖黑色平绒布，高速摄影技术在国内被首次运用到了野外，图像效果与夜晚室内风洞的效果几乎相同(见图13)。4、风洞流场均勻稳定，结构轻便耐用，拆装方便(卸车、组装、拆卸和装车共需1. 5 小时)，风洞结构轻便牢固，便于搬运。本发明从风洞设计和野外实验两方面证实了该风洞实验段风速具有纵向和横向的稳定性，风洞具有稳定的气流�。缢倮呶允植迹献匀淮笃呓绮憬孛娌愕姆缢偬卣�。青藏线格拉段风沙运动的野外实地观测，结果揭示了高海拔低气压环境下独特的风沙运动特征，为建立青藏铁路沙害防治技术体系提供了理论基础。从整体上改进了以往国内外野外风洞设计中的不足，实现了多用途、高风速、建造精密、轻便结实的设计要求， 并满足高速摄影和PIV等光学测量技术的需要。该设备的研制成功不仅在流体力学、空气动力学、沙漠学、地貌学的野外实验中具有重要作用；而且能够在环境保护、道路的防沙治沙和风雪流研究中得到广泛的应用。为今后便携式风蚀风洞的设计提供一定的实践经验和理论参考，具有一定的学术价值，对于我国防治风蚀沙漠化和沙尘暴具有实际意义。
图1为本发明结构示意图。图2为图1风洞俯视结构示意图。图3为澳大利亚便携式风洞。图4为美国便携式风洞。图5为内蒙古林学院便携式风洞。
图6中国农大便携式风洞图7为中科院寒区旱区环境与工程研究所便携式风洞1图。图8为中科院寒区旱区环境与工程研究所便携式风洞2图。图9为现有国内外便携式风洞动力段中心轴线均高于实验段的中心轴线示意图， 其中a.为以往国内外便携式风洞设计；b.以往国内外便携式风洞的不足。图10为敦煌雅丹原始戈壁地表的风速廓线观测布设图。图11为敦煌雅丹原始戈壁地表输沙廓线观测布设图。图12为青藏线格拉段高速摄影实验布设示意图。图13为红梁河(海拔4653m) 8m/s风速下风沙流中沙粒运动的瞬时影像。图14为第二实验段和第三实验段中轴线上风速廓线的比较。图15为第三实验段横向风速廓线的比较。图16为风洞的风速廓线特征。图17为实验用沙的粒径分布特征。图18为风沙流流体起动风速(15cm高处)随海拔的变化特征。图19为风沙流颗粒速度廓线随海拔的变化特征，其中a、b、c分别为8m/s、llm/s 和14m/s风速和不同海拔条件下，风沙流中沙粒的速度分布特征。图20为风沙流颗粒浓度廓线随海拔的变化特征，其中a、b、c分别为8m/s、llm/s 和14m/s风速和不同海拔条件下，风沙流中沙粒的浓度分布特征。图21为红梁河、错那湖和沱沱河原始沙面风沙流颗粒浓度的分布特征。图22为不同海拔(格尔木、西大滩、红梁河和唐古拉)单宽输沙率随高度的分布特征。图23不同海拔平均输沙率随高度的分布特征。
具体实施例方式下面，结合附图，对本发明的技术方案再作进一步的说明如图1所示。一种可移动便携式风蚀风洞，风洞为直流吹气式。它是由入口段1、 动力段2、圆形变矩形过渡段3、扩散段4、整流段5、收缩段6、第一实验段(三节不锈钢实验段)7;第二实验段(玻璃实验段)8、第三实验段(落地玻璃实验段)9、扩压口 10组成，风洞由2mm厚不锈钢板制成。总重量为1. 1吨，长约11m，风速范围在UOmiT1连续可调。风洞各段都加设了 L30X30mm的角铁筋，均由整体折弯制成的4cm法兰相互连接，并在法兰连接处粘贴密封条。入口段1为斜45度的上翘的圆筒形结构，外围呈外翻喇叭口 ；动力段2 放置变频调速风机，外接变频器和汽油发电机组，风机的入风口和出风口处都设有整流罩， 电机放置在整流罩内，并预留有散热孔，并在出风口处设置了反扭导流片；扩散段4和收缩段6之间设置整流段，整流段由蜂窝器和阻尼网构成；扩散段4、整流段5、收缩段6、第一实验段7、第二实验段8和第三实验段9都加设了 L30 X 30的角铁筋，其中扩散段4、整流段5、 收缩段6的底部为L10X10的角铁筋。这样的整体结构更加结实耐用，而且使扩散段4、整流段5、收缩段6的下地板落到了地面。第一实验段7由2mm厚不锈钢制成，第二实验段8 和第三实验段9为玻璃实验段，由不锈钢框架以及左右两侧和顶部均设有合叶的1. 5cm厚有机玻璃窗组成。实验段截面积0. 6mX0. 6m，均为倒扣的“η”形方筒，没有底板，第三实验段9为落地玻璃窗。每节实验段的顶部两端都设有15cmX 2cm的戴盖子的开口，用于架设皮托管进行风洞入口和实验段风速的测量。除入口段1外，其余各段的中心均在同一水平轴线上，且扩散段4、整流段5、收缩段6的下地板与实验段内的地面齐平，实现了在野外风洞中进行原始地表风蚀实验的目的。入口段1为斜45度的上翘式圆筒形结构，最外围是外翻的喇叭口。这样的结构设计不仅防止了沙粒进入风机，更重要的是较轻的动力段和风洞所有部件的下底板都紧贴于地面(见图1-图2)，这种设计避免了以往风洞中，气流从较高的动力段进入较低的实验段时经常悬浮于地表吹过的现象，使收缩段出来的气流能够紧贴实验段原始地面吹过；其次， 也避免了气流通过下弯的拐角时发生分离、能量损失和不易导直的问题。因此，风蚀作用比起动力段被放置在车上的风洞更加明显，速度分布更加均勻。动力段2由嘉壹本13. 5千瓦汽油发电机组、成都运城SDS系列5. 5千瓦圆筒形变频调速风机和变频器三部分组成，其中风机的入风口和出风口处都设有整流罩，电机被放在整流罩内，并预留有散热孔，出风口处设置了反扭导流片。风洞配制的射流调频变速风机质量轻、体积小、风速大，其额定功率为5. 5Kw0目的是通过射流调频变速风机调频以控制转速并改变其风速，频率范围在l-50Hz之间，对应风速范围是1-30H1S-1。配套发电机组的额定功率为13. 5Kw，是风机功率的2倍多，完全满足了风机全速运转时的所需功率，风速在ΙΙΟπ Γ1之间连续可调，一般野外风速都在20!!^1的范围之内，因此，该风洞的设计风速基本适应了野外风速的全尺度模拟研究。风洞总重量1. 1吨，运移可用一辆车厢长4. 2m的江淮或东风小霸王汽车运输，越野性比较好，在野外环境下，基本可以到达预定的草地、戈壁或流沙边缘等实验地点。实验过程中，发电机组始终在车上，而其它部件的卸车和组装工作由5个人在50分钟内可较轻松的完成，拆卸和装车工作可在40分钟内完成。实验中，第一实验段7、第二实验段8和第三实验段9被放置在最后，然后连接扩压口 10，风蚀观测均可在第二实验段8和第三实验段9的任意一节中进行。另外，第三实验段 9侧面的玻璃窗为落地式，三个实验段顶部的两端都设有开口，用以架设风速测量装置。实验时用黑平绒布将第二实验段8和第三实验段9的玻璃窗全部覆盖，这样便实现了白天在野外的暗室效果，使野外高速摄影测量成为可能，弥补了我国在此研究方面的不足。利用本发明可在野外原始地表方便的进行各类风蚀参数的测量，例如风沙流中的气流速度、沙粒速度、模型流场、风蚀量、输沙通量和风雪流的观测等。具体目的如下①采集不同原始地表净风或携沙条件下不同高度的风速数据；②利用高速摄影或PIV技术实现风沙流沙粒轨迹、数目和速度的微观测量；③各类模型的流场和抗风蚀性能的测定；④不同地表风蚀量和输沙通量的界定；⑤开展风雪流的野外实地观测。(1)野外实验的
具体实施例方式本发明中，使用皮托管和10路风速廓线仪，可测量风洞入口风速以及实验段的风速廓线特征；利用积沙仪，可测量各类原始地表风沙流的输沙分布特征；利用高速摄影系统，可完成风沙流中沙粒轨迹、数目和速度数据的提取。三项实验的具体实施方式
如下风速的测量如图10所示，将10路风速廓线仪11和皮托管12分别布设在玻璃实验段8和落地玻璃实验段9沙床地表13下风向；皮托管12架设在实验段入口处，10路风速廓线仪11通过软管与10路风速风压数据采集仪15连接，并用电源线使采集仪15分别下笔记本电脑16各发电机组17连接，进行原始沙面风速廓线的观测。10路风速廓线仪11是由10根直径为1. 6mm的椭球头探头与连通的10根“L型”动压管及静压管组成，动压管与静压管的横截面形成两个同心圆，动压管迎气流向开口，静压管距离最前端Icm处的管壁上开有孔，两管间的环型空隙在面向气流的前端是封闭的。当发电机组17输出电流经过变频器进入风机，通过调节频率来控制风机风扇的转速，来达到控制风速的目的。首先，旋转的大涡流经过风机内部的反扭导流片后恢复为轴向流动，然后，经过圆形变矩形过渡段3、 扩散段4、整流段5的蜂窝器和阻尼网以及收缩段6，将气流导直，降低气流的紊流度和不均勻度，最终使进入实验段的风向14(气流)均勻而稳定。当气流通过第三实验段9吹向10 路风速廓线仪11时，它增加了管中静止空气的压力，由于动压管中流体流动的方向与静压管壁上小孔孔面相切，因此形成动压管与静压管压力值之差，因此，可以通过10路风速廓线仪11，测出地面不同高度上气流速度的变化，再通过动压管与静压管相接的10路风速风压数据采集仪15，连续记录风速的垂直分布数据。输沙通量的测量使用60cm高，2cm宽的积沙仪18放置试验段来测量输沙通量 (见图11)。60cm高的积沙仪被分成30个2X2cm的开口，在风向14(气流)的作用下，积沙仪18以2cm间隔在30个高度上收集流沙。因此，通过称重，可以获得了风沙流中沙粒的重量随高度的变化，即风沙输移通量值。沙粒速度的测量使用美国phantom670高速摄影机，我们在第三实验段9拍摄了沙床下风向边缘不同高度的跃移颗粒影像，利用北京立方科技有限公司的颗粒影像测速系统(PIV)测量软件得到跃移颗粒的速度分布数据。风洞的光学玻璃为实验中高速摄影机的使用提供了可视化条件。在高速摄影中，通过测量两个脉冲间颗粒的运动，速度向量被确
的一部分&
定，它来源于风沙流目标区 Up=，
Δ (1)这里，Up是颗粒速度，ΔΧ是在At时间差内，两个像素间颗粒的位移。如图12所示，实验布设落地玻璃实验段9内，激光发射器19、激光调节器20和发电机组17依次相连，激光光束经反射棱镜21和面状透镜22转折90°，改变为三角形面状激光光源投射在沙面上，高速摄像机23对准激光面，调整好焦距，并与笔记本电脑16用高速太网线连接，使用高速摄影机23自带软件将不同风速14下拍摄到的风沙流影像储存在笔记本电脑16中，根据像素选择的不同，每秒钟可拍摄2000-30000张左右的连续影像照片，然后在室内，经过软件处理，我们获得了不同风速下，风沙流中颗粒速度、数目随高度的分布数据。图13是我们利用野外风洞和高速摄影系统在青藏线红梁河(海拔4653m)8m/s风速下拍摄到的风沙流中沙粒运动的瞬时影像。(2)风洞的野外性能评价实验风洞是研究空气动力学的实验设备，风洞性能是指实验段的流场品质，主要包括， 实验段风速纵向和横向的稳定性，以及是否符合自然大气边界层近地面层的风速特征，即风速廓线是否为对数分布。为检验风洞在野外的整体性能，并为青藏线高海拔地区的野外风洞风蚀实验做好准备，我们选择了较近的敦煌雅丹原始戈壁地表，开展了前期风洞的野外性能测试。 风洞的纵向稳定性在敦煌雅丹的原始戈壁地表，我们测量风洞第二实验段8和第三实验段9中轴线的风速廓线，根据两条风速廓线的吻合程度来判断风洞实验段流场的稳定性。如图10，将 10路风速廓线仪11分别架设在第二实验段8和第三实验段9中轴线末端的原始戈壁地表， 外面依次连接10路风速风压数据采集仪和笔记本电脑，每隔2秒采集一组数据，同一风速 7m/s、或lOm/s、或15m/s下采集2分钟，共60组10个高度的风速数据，结果见图14。由图14可见，第二实验段8和第三实验段9风速廓线基本重合，表明第二实验段 8和第三实验段9风速接近一致，说明实验段具有良好的纵向风速稳定性。风洞的横向稳定性使用10路风速廓线仪11在雅丹戈壁测量了风洞第三实验段9不同地面高度5mm、 9mm、15mm、22mm、43mm、83mm、123mm、163mm、202mm 和 242mm 上的风速，在 10 路中分别测量三点风速，得到图15，表中“Z”表示地面高度，“W”表示风洞实验段截面宽度，由于风洞实验段流场沿纵轴面对称，以风洞纵轴面30cm处为中心位置，测量了纵轴面中心30cm和两侧 15cm、45cm处的流场，实验段截面总宽度为60cm。图15中对应每一地面高度的风速廓线基本保持水平，说明在相同地面高度上风速保持稳定，说明风洞实验段具有良好的风速横向稳定性。风洞的流场性能风沙物理学将风速廓线定义为风速随地面高度的变化曲线。大气物理学把紧靠地面的大气边界层定义为近地面层。近地面层的空气流动明显受黏附作用，具有很大的风速垂直梯度，风速廓线为对数函数曲线，即风速随地面高度呈对数函数关系变化。在敦煌雅丹原始戈壁地表，本风洞在第三实验段9中4m/s、6. 88m/s、9. 558m/s和13. 40m/s不同风速条件下的风速廓线见图16。结果表明风速廓线为对数分布，即U = aLnZ+b，相关系数均大于 0. 94，符合自然大气边界层近地面层的风速特征，回归方程和相关系数见表1。表1风速廓线的回归方程和相关系数
权利要求
1.一种可移动便携式风蚀风洞，风洞为直流吹气式，依次由入口段(1)、动力段O)、 圆形变矩形过渡段(3)、扩散段G)、整流段(5)、收缩段(6)、第一实验段(7)、第二实验段 (8)、第三实验段(9)、扩压口(10)组成，风洞各段均由整体折弯制成的法兰相互连接，并在法兰连接处粘贴密封条；其特征在于入口段(1)为斜45度的上翘的圆筒形结构，外围呈外翻喇叭口 ；动力段( 放置风机，依次外接变频器和汽油发电机组，风机的入风口和出风口处都设有整流罩，电机放置在整流罩内，并预留有散热孔，出风口处设置了反扭导流片； 扩散段(4)和收缩段(6)之间设置整流段(5)，整流段(5)由蜂窝器和阻尼网构成；第一实验段(7)、第二实验段(8)和第三实验段(9)为倒扣型“η”形方筒，未设底板，框架与沙地接触，其中的第一实验段(7)是三节不锈钢实验段，第二实验段(8)是不锈钢框架玻璃实验段，第三实验段(9)是不锈钢框架落地玻璃实验段，第二实验段((8)和第三实验段((9) 实验段左右两侧和顶部设有合叶的有机玻璃窗，每节实验段顶部的两端都设有戴盖子的开口，除入口段(1)外，其余动力段O)、圆形变矩形过渡段(3)、扩散段0)、整流段(5)、收缩段(6)、第一实验段(7)、第二实验段(8)、第三实验段(9)、扩压口(10)的中心均在同一水平轴线上，且动力段O)、圆形变矩形过渡段C3)、扩散段(4)、整流段( 和收缩段(6)的下地板与实验段内的地面齐平。
2.根据权利要求1所述的一种可移动便携式风蚀风洞，其特征在于上述变频调速风机调速范围为1-3011^1。
全文摘要
本发明涉及一种可移动便携式风蚀风洞，洞体由动力段、扩散段、整流段、收缩段、实验段、扩压口和配套仪器组成，风洞各段均由整体折弯制成的法兰相互连接，并在法兰连接处粘贴密封条。该风洞在野外原始地表可方便地进行各类风蚀参数的测定。其特点是(1)能够产生自由的旋涡气流和稳定流动的气流�。�(2)能够产生可比拟于自然气候的各种风力；(3)经久耐用，安全可靠；(4)转移地点方便，拆装容易。适宜开展各类野外风沙流起动、风速风压、输沙、侵蚀、模型流场、风雪流方面的实验观测和颗粒速度、浓度、能量分布等微观方面的研究，为我国在野外地表风蚀的原位实验、风吹雪实验以及特殊环境下(青藏高原高寒低气压环境等)的风沙运动规律研究提供了基础的实验设备。
文档编号G01M9/04GK102323037SQ20111013257
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者凌裕泉, 屈建军, 张克存, 韩庆杰 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
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