一种新型多风扇阵列龙卷风风洞及风场模拟方法技术

本发明专利技术涉及一种新型多风扇阵列龙卷风风洞，包括风塔、多风扇阵列、转动装置和法兰。风塔顶层中心位置安装顶部单风扇，风塔底部沿周向安装底部单风扇。顶部单风扇和底部单风扇通过转动装置与风塔壁连接，且所有单风扇均能实现吹气和吸气功能，可以使龙卷风风柱发生扭曲变形，从而模拟自然界扭曲变形的龙卷风风场；顶部单风扇同时通过滑块和直线导轨做直线运动，实现龙卷风风场水平移动；通过底部单风扇转动，调节入流区气流的入射角，可获得不同涡流比的龙卷风风场。本发明专利技术能够模拟龙卷风风柱可扭曲变形、可水平移动、涡流比可变的龙卷风风场。

A New Multi-fan Array Tornado Tunnel and Wind Field Simulation Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型多风扇阵列龙卷风风洞及风场模拟方法
本专利技术涉及一种流体力学
，尤其涉及一种多风扇阵列龙卷风风洞。
技术介绍
龙卷风是由空气剧烈对流产生的一种高速旋转的移动风暴，具有持续时间短、风力大、破坏力强和难以预测等特点。目前，对于龙卷风试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型模拟系统虽然能够模拟多种类似龙卷风的涡旋风场，但该系统难以调整龙卷风的涡流比。随着科学技术的发展，日本宫崎大学的A.Nishi研制了一种多风扇阵列风洞，该风洞主要能够模拟常态风和脉动风风场。美国IBHSResearchCenter的多风扇阵列风洞，主要用于对台风风场的模拟。中国同济大学的多风扇阵列风洞(TJ-5)与日本宫崎大学的多风扇阵列风洞类似，主要能够模拟常态风和脉动风风场。加拿大西安大略大学的龙卷风风洞(WindEEEDome)，拥有106个风扇，采用正六边形设计，可模拟龙卷风和下击暴流风场，但是该风洞无法模拟龙卷风风柱可扭曲变形以及涡流比可变的龙卷风风场。上述多风扇阵列风洞模拟功能较为单一，应用领域受限。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种新型多风扇阵列龙卷风风洞，能够模拟出龙卷风风柱可扭曲变形以及涡流比可变的龙卷风风场。本专利技术同时提供使用上述多风扇阵列龙卷风风洞的风场模拟方法。技术方案：为实现上述目的，本专利技术新型多风扇阵列龙卷风风洞采用以下技术方案。一种新型多风扇阵列龙卷风风洞，包括风塔、位于风塔顶部中心位置的顶部单风扇、位于风塔侧壁底部位置的若干底部单风扇；所述风塔顶部设有收容顶部单风扇的开口，顶部单风扇安装在该开口中，且顶部单风扇对风塔内部吹气或吸气；风塔顶部在开口两侧凹设有直线导轨；而顶部单风扇的两侧设有与直线导轨对应配合的滑块，所述滑块在导轨内直线移动，滑块内还用以驱动顶部单风扇俯仰转动的第一转动装置；所述若干底部单风扇沿风塔周向均匀排列一圈；所述风塔侧壁上还设有与底部单风扇一一对应的第二转动装置，该第二转动装置驱动底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动。进一步的，所述第一转动装置包括第一电机、第一蜗轮蜗杆系统、第一连接件，所述顶部单风扇外侧周向连接有法兰，所述第一连接件与法兰连接，第一电机通过第一涡轮蜗杆系统与第一连接件形成联动，第一连接件通过第一电机转动驱动顶部单风扇俯仰转动。进一步的，所述第一电机输出轴通过第一联轴器与第一涡轮蜗杆系统内的蜗杆同轴连接，所述第一涡轮蜗杆系统内的涡轮轴向连接所述第一连接件。进一步的，所述第二转动装置包括弧形活动基座、位于弧形活动基座两端内侧的两个支撑臂，其中支撑臂包括第二电机、第二蜗轮蜗杆系统、第二连接件，第二连接件与第二底部单风扇连接；第二电机通过第二涡轮蜗杆系统与第二连接件形成联动，第二连接件通过第二电机转动驱动底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动。进一步的，所述第二电机输出轴通过第二联轴器与第二涡轮蜗杆系统内的蜗杆同轴连接，所述第二涡轮蜗杆系统内的涡轮轴向连接所述第二连接件。而使用上述新型多风扇阵列龙卷风风洞的风场模拟方法采用以下技术方案，包括以下模拟模式：(1)、首先通过第二转动装置调整底部单风扇使其轴线与风塔半径呈一定角度，然后通过顶部单风扇吸气，底部单风扇吹气，气流从风塔底部流入，经风塔顶层流出，实现龙卷风风场模拟；(2)、通过第一转动装置驱动顶层单顶部单风扇俯仰转动，使龙卷风风柱发生扭曲变形，实现自然界扭曲变形的龙卷风风场模拟；(3)、通过滑块在直线导轨中移动带动单顶部单风扇直线移动，实现龙卷风风场水平移动模拟；(4)、通过第二转动装置驱动第一底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动，调节第一底部单风扇入流区气流的入射角，获得不同涡流比的龙卷风风场模拟。有益效果：本专利技术的新型多风扇阵列龙卷风风洞通过设置顶部单风扇、底部单风扇、；并且顶部单风扇可俯仰转动以及直线移动、底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动，从而模拟龙卷风风柱扭曲变形、水平移动以及涡流比可变的龙卷风风场，相对于现有技术，该多风扇阵列龙卷风风洞具有多功能、应用领域广的优势。附图说明图1为本专利技术新型多风扇阵列龙卷风风洞的结构示意图；图2为图1的俯视图；图3为第一转动装置与顶部单风扇装配图；图4为第一转动装置结构示意图；图5为第二转动装置结构示意图；图6为图5中的A向视图；图7为固定基座中的转动装置结构示意图；图8为第二转动装置与底部单风扇装配图；图9为图8的主视图；图10为扭曲变形龙卷风风柱模拟效果。图中：1、风塔，2-1、顶部单风扇，2-2、底部单风扇，3、第一转动装置，3-1、第一电机，3-2、第一联轴器，3-3、第一蜗轮蜗杆系统，3-4、第一连接件，3-5、第一轴承座，4、法兰，5、滑块，6、直线导轨，7、第二转动装置，7-1、固定基座，7-2、弧形活动基座，7-3、支撑臂，7-3-1、第二电机，7-3-2、第二联轴器，7-3-3、第二蜗轮蜗杆系统，7-3-4、第二连接件，7-3-5、第二轴承座，7-4-1、第三电机，7-4-2、第三联轴器，7-4-3、第三蜗轮蜗杆系统，7-4-4、第三连接件，7-4-5、第三轴承座，7-4-6、螺栓。具体实施方式请参阅图1至图9所示，本专利技术公开以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术公开一种新型多风扇阵列龙卷风风洞，包括筒体结构的风塔1、位于风塔1顶部中心位置的顶部单风扇2-1、位于风塔1侧壁底部位置的若干底部单风扇2-2。所述风塔顶部设有收容顶部单风扇2-1的开口，顶部单风扇2-1安装在该开口中。且顶部单风扇2-1对风塔1内部形成吹气或吸气功能，具体是通过风扇电机反转及叶片和桨毂反装实现。风塔1顶部在开口两侧凹设有直线导轨6；而顶部单风扇的两侧设有与直线导轨6对应配合的滑块5，所述滑块5在导轨6内直线移动，从而能够带动顶部单风扇2-1在开口范围内直线移动(开口的长度大于顶部单风扇2-1的直径)，滑块5内还用以驱动顶部单风扇2-1俯仰转动的第一转动装置3。所述若干底部单风扇2-2沿风塔1周向均匀排列一圈。所述风塔1侧壁上还设有与底部单风扇2-2一一对应的第二转动装置7。该第二转动装置7驱动底部单风扇2-2的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动，使底部单风扇2-2独立实现向风塔1内部水平吹风或者斜向下吹风的效果。底部单风扇2-2也均有吹气和吸气功能，具体是通过风扇电机反转及叶片和桨毂反装实现。请结合图4所示，所述第一转动装置包括第一电机3-1、第一联轴器3-2、第一蜗轮蜗杆系统3-3、第一连接件3-4、第一轴承座3-5。所述顶部单风扇2-1外侧周向连接有法兰4，所述第一连接件3-4与法兰4连接。所述第一电机3-1输出轴通过联轴器3-2与第一涡轮蜗杆系统3-3内的蜗杆同轴连接，所述第一涡轮蜗杆系统3-3内的涡轮轴向连接所述第一连接件3-4。第一电机3-1通过第一涡轮蜗杆系统3-3与第一连接件3-4形成联动，第一连接件3-4通过第一电机3-1转动驱动顶部单风扇2-1俯仰转动。请结合图5至图9所示，所述第二转动装置7包括弧形活动基座7-2、位于弧形活动基座7-2两端内侧的两个支本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型多风扇阵列龙卷风风洞，其特征在于：包括风塔、位于风塔顶部中心位置的顶部单风扇、位于风塔侧壁底部位置的若干底部单风扇；所述风塔顶部设有收容顶部单风扇的开口，顶部单风扇安装在该开口中，且顶部单风扇对风塔内部吹气或吸气；风塔顶部在开口两侧凹设有直线导轨；而顶部单风扇的两侧设有与直线导轨对应配合的滑块，所述滑块在导轨内直线移动，滑块内还用以驱动顶部单风扇俯仰转动的第一转动装置；所述若干底部单风扇沿风塔周向均匀排列一圈；所述风塔侧壁上还设有与底部单风扇一一对应的第二转动装置，该第二转动装置驱动底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动。

【技术特征摘要】
1.一种新型多风扇阵列龙卷风风洞，其特征在于：包括风塔、位于风塔顶部中心位置的顶部单风扇、位于风塔侧壁底部位置的若干底部单风扇；所述风塔顶部设有收容顶部单风扇的开口，顶部单风扇安装在该开口中，且顶部单风扇对风塔内部吹气或吸气；风塔顶部在开口两侧凹设有直线导轨；而顶部单风扇的两侧设有与直线导轨对应配合的滑块，所述滑块在导轨内直线移动，滑块内还用以驱动顶部单风扇俯仰转动的第一转动装置；所述若干底部单风扇沿风塔周向均匀排列一圈；所述风塔侧壁上还设有与底部单风扇一一对应的第二转动装置，该第二转动装置驱动底部单风扇的轴向在水平方向及竖直方向之间摆动。2.如权利要求1所述的新型多风扇阵列龙卷风风洞，其特征在于：所述第一转动装置包括第一电机、第一蜗轮蜗杆系统、第一连接件，所述顶部单风扇外侧周向连接有法兰，所述第一连接件与法兰连接，第一电机通过第一涡轮蜗杆系统与第一连接件形成联动，第一连接件通过第一电机转动驱动顶部单风扇俯仰转动。3.如权利要求2所述的新型多风扇阵列龙卷风风洞，其特征在于：所述第一电机输出轴通过第一联轴器与第一涡轮蜗杆系统内的蜗杆同轴连接，所述第一涡轮蜗杆系统内的涡轮轴向连接所述第一连接件。4.如权利要求1所述的新型多风扇阵列龙卷风风洞，其特征在于：所述第二转动装置包括弧形活动基座、位于弧形活动基座两端内侧的两个支撑臂，其中支撑臂包括第二电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚裕，李先影，吴洪涛，柯世堂，陈彬，易弢，
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