一种基于风洞的龙卷风模拟器、其运行方法及其所得龙卷风模型技术

本发明专利技术公开一种基于风洞的龙卷风模拟器、其运行方法及其所得龙卷风模型，风塔为筒体结构，安装在风洞实验段上壁外侧；风塔主要包括整流装置和导流装置；整流装置包括整流罩和蜂窝器；整流罩内部安装电机和风扇转子；通过改变电机的转速调节流场的雷诺数；导流装置主要是产生涡旋风场的导流板；蜂窝器与电机的轴线平行；升降台安装在风洞实验段上下洞壁之间，通过升降台的上下移动调节流场的高度，进而调节流场的高宽比；通过升降台上表面的平动机构实现被试验模型与龙卷风的平动效果。本发明专利技术结构紧凑、安装使用方便，能够更好地模拟自然界不同情况下的龙卷风。

Tornado simulator based on wind tunnel, operation method thereof and tornado model obtained thereby

The invention discloses a tornado simulator, its operation method and the wind tunnel tornado model based on wind tower tube structure, installed in the tunnel test section on the outer wall of the wind tower; including the rectifying device and guiding device; rectifying device comprises a fairing and honeycomb fairing; installed inside the motor and the fan rotor; Reynolds number regulation the flow field by changing the motor speed; the guiding device is mainly deflector vortex wind field; cellular devices with parallel axis motor; between the lifting platform installed in the tunnel test section on the wall, the height by moving the regulating flow on the lifting platform, thereby regulating the flow of the high aspect ratio; the surface of the translation mechanism of lifting table implementation is translational effect test model and the tornado. The invention has the advantages of compact structure, convenient installation and use, and better simulation of tornadoes under different circumstances in nature.

【技术实现步骤摘要】
一种基于风洞的龙卷风模拟器、其运行方法及其所得龙卷风模型
本专利技术涉及一种龙卷风模拟器，尤其涉及基于风洞的实验室用龙卷风模拟器。
技术介绍
龙卷风是一种极端天气现象，它具有极大的破坏力。目前，对于龙卷风风场特性研究主要有风场实测、理论分析、实验室物理模拟和数值模拟等方法，而实验室物理模拟装置大多数都是基于Ward型模拟系统的原理建造。Ward型模拟系统能够模拟多种类似龙卷风的涡旋风场，但该系统无法考虑龙卷风的水平移动。Haan等在Ward研究基础上，改进了Ward型模拟系统，将风机以及导流板都安装在模拟器顶部，并通过移动台架来模拟龙卷风的水平运动，试验数据得到了多普勒实测数据的验证。王锦等基于Haan型模拟系统建造了TVS龙卷风模拟器，该模拟器能够在水平方向上移动，最大移动速度只能达到0.4m/s。现有的龙卷风模拟装置普遍存在移动速度小及应用领域窄问题。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种应用范围广、安装使用方便、移动速度调整范围大的龙卷风模拟器。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于风洞的实验室用龙卷风模拟器，主要包括风洞、风塔、导流板、电机、整流罩、风扇转子、蜂窝器和升降台；其中，风塔整体为筒体结构(外径R1，内径R2)，安装在风洞实验段上壁外侧；风塔主要包括整流装置和导流装置；整流装置包括整流罩和蜂窝器；整流罩内部安装提供风源的电机和风扇转子；导流装置主要是产生涡旋风场的导流板；导流板与塔体法线的夹角为θ，θ的范围20～60度，通过调节θ的大小实现调节流场的涡流比；通过改变电机的转速实现调节流场的雷诺数；蜂窝器用于整流，与电机的轴线平行。升降台安装在风洞实验段上下洞壁之间，通过升降台的上下移动调节流场的高度，从而实现调节流场的高宽比。通过升降台上表面的平动机构实现被试验模型与龙卷风的平动效果。当龙卷风模拟器工作时，升降台处于实验设置高度；当模拟器不工作时，升降台可调至与风洞实验段下底壁。利用气压梯度力、惯性离心力和黏性力三力相平衡的大气动力和热力学方程组，获得龙卷风的三维速度场的数学模型如下式：x(t)＝R3e-atcosbty(t)＝R3e-atsinbtz(t)＝-2at其中，a为涡流比，R3为龙卷风的初始半径，H为流场的高度，H＝(H1-H3)+(H2-H4)，θ为导流板方向角度，b为龙卷风旋转角速度。本专利技术结构紧凑、安装使用方便，借助本专利技术的龙卷风模拟器能模拟气流的最大移动为30m/s的龙卷风，调整范围大；能够更好地模拟自然界不同情况下的龙卷风。附图说明图1为本专利技术基于风洞的实验室用龙卷风模拟器的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为导流板方向角示意图；图4为龙卷风结构轨道示意图；图5为水平移动的龙卷风结构轨道示意图；图6为被试验模型与龙卷风的平动效果示意图。图中：1、风洞，2、风塔，3、导流板，4、电机，5、整流罩，6、风扇转子，7、蜂窝器，8、升降台。具体实施方式以下将结合附图和实施例具体说明本专利技术的技术方案：本专利技术涉及一种新型龙卷风模拟器，如图1所示，风塔2安装在风洞1实验段上壁外侧，风塔2包括导流板3和整流罩5，整流罩5内部安装提供风源的电机4和风扇转子6，蜂窝器7的轴线与电机4轴线平行，升降台8安装在风洞1实验段下壁内侧。通过风洞来流实现模拟龙卷风的水平移动；通过改变电机的转速实现调节流场的雷诺数；通过调节导流板的安装角度θ实现调节流场的涡流比；通过升降台的上下移动调节流场的高度，从而实现调节流场的高宽比；通过升降台上表面的平动机构实现被试验模型与龙卷风的平动效果。实施例1借助该龙卷风模拟器，利用气压梯度力、惯性离心力和黏性力三力相平衡的大气动力和热力学方程组，获得龙卷风的三维速度场的数学模型。含有气压梯度力、惯性离心力和黏性力的Boussinesq近似的大气动力学和热力学方程组的柱坐标(r,θ,z)形式为式(1)：其中，和分别为径向、切向和垂直方向的加速度；ρ0、T0和p0为基本场的密度、温度和气压；p′和T′为扰动气压和扰动温度；Fr、Fθ、Fz和FT分别为三个方向(r,θ,z)的黏性力和热传导项；N为浮力频率，由于龙卷风的漏斗结构是轴对称的，取对称轴设(Fr,Fθ,Fz)＝-v(vr,vθ,vz)，FT＝-kT′/T0，且设vr、vθ只与r有关，vz只与z有关，T′/T0随着r、z变化很小，则式(1)可化简为其中，υ、k和g分别是黏性系数、导热系数和重力加速度。由于漏斗结构是从由上向下伸展而成的，因此，设vz＝2az(a＞0,z＜0)式(7)式中a是一个正的常数，将式(7)代入式(5)得到龙卷风的径向速度场，见式(8)：vr＝-ar式(8)将式(8)代入式(3)得到下式：若取黏性系数υ＝2a，则vθ＝br式(9)式中，b是一个积分常数。将式(7)、式(8)和式(9)三式归纳在一起，就是龙卷风的三维速度场所以，图1所示的新型龙卷风模拟器产生的龙卷风数学模型的直角坐标形式为其中，a为涡流比，R3为龙卷风的初始半径，H为流场的高度，H＝(H1-H3)+(H2-H4)，θ为导流板方向角度，b为龙卷风旋转角速度。式(11)转化成极坐标形式为仿真中取值：R3＝0.6m，H的范围0.9m～2.15m，θ的范围20～60度，则a的范围0.08～0.39，仿真中a取0.2，电机4的转速为25rad/s，b为25rad/s。实施例1所得到的龙卷风结构轨道如图4所示。实施例2图1所示的新型龙卷风模拟器所在的风洞能够实现气流的最大移动速度V的求值。图1所示的新型龙卷风模拟器产生的龙卷风数学模型为：仿真中取值：R3＝0.6m，H的范围0.9m～2.15m，θ的范围20～60度，则a的范围0.08～0.39，仿真中a取0.2，电机4的转速为25rad/s，b为25rad/s。则图1所示的新型龙卷风模拟器能够模拟的龙卷风最大水平移动速度为V＝30m/s。实施例2所得到的龙卷风如图5所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于风洞的龙卷风模拟器，其特征在于，主要包括风洞、风塔、导流板、电机、整流罩、风扇转子、蜂窝器和升降台；其中，风塔整体为筒体结构，安装在风洞实验段上壁外侧；风塔主要包括整流装置和导流装置；整流装置包括整流罩和蜂窝器；整流罩内部安装电机和风扇转子；导流装置主要是产生涡旋风场的导流板；蜂窝器用于整流，与电机的轴线平行；升降台安装在风洞实验段上下洞壁之间。

【技术特征摘要】
1.一种基于风洞的龙卷风模拟器，其特征在于，主要包括风洞、风塔、导流板、电机、整流罩、风扇转子、蜂窝器和升降台；其中，风塔整体为筒体结构，安装在风洞实验段上壁外侧；风塔主要包括整流装置和导流装置；整流装置包括整流罩和蜂窝器；整流罩内部安装电机和风扇转子；导流装置主要是产生涡旋风场的导流板；蜂窝器用于整流，与电机的轴线平行；升降台安装在风洞实验段上下洞壁之间。2.根据权利要求1所述的基于风洞的龙卷风模拟器，其特征在于，所述的导流板与塔体法线的夹角为θ，θ的范围是20～60度。3.根据权利要求1所述的基于风洞的龙卷风模拟器，其特征在于，当龙卷风模拟器工作时，升降台处于实验设置高度；当模拟器不工作时，升...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚裕，李先影，吴洪涛，吕常魁，刘源，赵彪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32