港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及模拟方法，包括由两块导流板和一扇电动百叶窗形成的“凵”形突发阵风模拟装置、粗糙元组、等比例缩放待测模型、目标数据测试仪器以及分别设置在来流参考位置和待测位置的两台风速测试仪器；其模拟方法依次为：在风洞中架设突发阵风模拟装置并布设粗糙元；换算出模拟试验的风速参数；确定电动百叶窗参数θ和ω；连接目标测试设备测量数据；换算出原型数据；该港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及其试验方法能够有效模拟港口大型机械设备遇到突发阵风状况产生的非平稳动力冲击效应，对特定地区特定气象条件下港口大型机械设备的抗风能力进行预测。

Wind tunnel simulation device and test method for sudden gust response of large mechanical equipment in port

【技术实现步骤摘要】
港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及试验方法
本专利技术涉及结构风洞试验装置
，特别涉及一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置及试验方法。
技术介绍
近年来，港口大型机械设备近年来遭受强风袭击导致的损毁事故几乎连年发生，而这些事故的大部分是由突发阵风引发的机械设备结构损毁，尤其是在2018年6月，我国青岛港的5台集装箱岸桥在风速由16m/s迅速增大到37.3m/s的情况下发生倒塌。根据调查结果显示，当阵风的突发性较强时，对港口造成的灾害效应甚至比台风更大。然而，目前针对港口大型机械设备的抗风研究多集中于平稳风响应的研究，缺乏考虑突发阵风对港口大型机械产生的非平稳动力冲击效应，是导致港口机械风灾的重要原因之一。港口大型机械设备的抗风研究需要风洞试验数据作为支撑，而目前的风洞模拟装置多用于平稳风效应的测试，尚无港口大型机械设备突发阵风响应的风洞模拟装置及配套的试验方法，因此亟待进行研发。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种有效模拟港口大型机械设备在突发阵风作用下的非平稳脉动风荷载及风响应的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置。本专利技术的另一目的是提供一种采用上述港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置实现的试验方法。为此，本专利技术技术方案如下：一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置，包括设置在风洞洞体内的突发阵风模拟装置、设置在风洞进风端与突发阵风模拟装置之间的粗糙元组、一台相对于实际的港口大型机械设备等比例缩放的待测模型、目标数据测试仪器以及两台风速测试仪器；其中，突发阵风模拟装置为由两块导流板和一扇电动百叶窗形成的“凵”形半封闭结构；电动百叶窗朝向风洞来风端竖向设置在风洞洞体内，两块导流板对称设置在电动百叶窗两侧，使半封闭结构的开口侧朝向风洞另一端，两块导流板与电动百叶窗的两侧侧边密封连接固定为一体；电动百叶窗包括所述电动百叶窗包括窗体和多条竖向设置在窗体内的条形叶片，每条条形叶片均与设置在窗体上的电动马达连接，电动马达与设置在窗体上的控制器连接，以实现同步驱动所有条形叶片达到初始开合角度θ，并于预定时间以转动角速度ω，驱动所有条形叶片转动至完全闭合状态；粗糙元组由分散且均布设置的多排的粗糙元构成，其布设在风洞进风口和环境模拟装置之间，模拟与实际一致的来流地貌；待测模型设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处，且其尺寸小于突发阵风模拟装置内部空间的尺寸；目标数据测试仪器与待测模型相连接；两台风速测试仪器分别设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处和来流不受干扰的来流参考位置处。优选，导流板为木制矩形板。优选，电动百叶窗的条形叶片采用强度为390～420MPa的铝合金叶片。一种采用上述港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置实现的突发阵风响应风洞模拟试验方法，步骤如下：S1、在风洞中架设突发阵风模拟装置，并于风洞进风端与突发阵风模拟装置之间布设粗糙元模拟来流地貌；S2、根据斯托罗哈相似准则，将原型风速参数等比例换算为突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，包括风洞试验风速U、风速突变前后的平均值U1、U2及突变加速度a，同时设定突发阵风响应风洞模拟试验中的采样时长T和试验采样频率fs；S3、根据步骤S2获取的突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，确定电动百叶窗的全部百叶的初始开合角度θ，以及经过T/2后全部百叶转动至完全闭合状态过程中的转动角速度ω，以实现模拟与原型突发阵风等同的突发阵风状态；S4、将待测试位置的风速测试仪器移除，并在该位置处安装待测模型，将目标测试设备与待测模型连接，进行风洞模拟试验；其中，待测试设备包括用于模拟测压实验的压力测试系统、用于模拟测力实验的测力天平或用于模拟测振实验的振动测试及采集仪器；接着，将风洞试验风速调至U*，并将百叶窗的百叶初始开合角度调整为θ*，待风速稳定后，设置在来流参考位置的风速测试仪器和设置在待测试位置的目标测试设备开始进行数据测量，并于T/2后启动马达以转速ω驱动百叶的开合角度变化至180°，即得到待测模型在突发阵风作用下的风荷载/响应时程曲线；S5、将经过步骤S4的风洞试验的模拟测量数据按照步骤S2的几何缩尺比换算为原型的相应数据，其具体换算方法为：1)针对模拟测压实验，原型压力＝模型压力/λU2；2)针对模拟测力实验，原型基底风力＝模型基底风力/λU2λL2，原型基底风力矩＝模型基底风力矩/λU2λL3；3)针对模拟测振实验，原型位移响应＝模型位移响应/λL，原型加速度响应＝模型加速度响应/λa。进一步地，步骤S2的风洞模拟试验的风速参数的具体获取步骤为：S201、设定风速比λU，通过风速比公式：λU＝U/Up确定试验风速U，其中，Up为原型风速；此外，在该步骤S201中，风速比λU设定值应满足试验风速参数在风洞实验所能承受的的测试条件范围内；S202、根据斯托罗哈相似准则，结合港口大型机械设备缩放模型与港口大型机械设备原型的几何缩尺比λL＝L/Lp确定频率比λf＝λU/λL，其中，L为模型尺寸，Lp为原型尺寸；从而确定时间比λT＝λL/λU和加速度比λa＝λU/λT；S203、设定原型风速突变加速度ap，根据原型突变前风速U1(U1p＝Up)得到原型突变后风速U2p，进而确定试验突变前风速U1＝U1pλU、试验突变后风速U2＝U2pλU、及试验风速突变加速度a＝apλa；进一步地，在上述步骤中，为满足测试要求，试验采样时长T不小于原型中的10min，即T≥600λT；试验采样频率fs不小于原型中结构一阶自振频率fn的10倍，且不小于原型中突变时长倒数的2倍，即进一步地，步骤S3的具体步骤为：S301、将其中一台风速测试仪器置于突发阵风模拟装置内的中心，即测试位置上，同时将另一台风速测试仪器置于来流参考位置上；其中，来流参考位置为位于突发阵风模拟装置与粗糙元组之间且不处于突发阵风模拟装置的导流板与风洞侧壁之间的风道上的任意位置处；S302、将风洞试验风速调至步骤S2中确定的试验风速U，同时在电动百叶窗的百叶的开合角度θ的调节范围内和电动马达的转动角速度ω的调节范围内调节θ和ω的取值，形成多组试验测试参数；依次地，在每组试验测试参数下，分别对来流参考位置处和测试位置处的两台风速测试仪器以不超过0.01s的间隔时间记录瞬时脉动风速，以获取在整个采样时长期间来流参考位置的风速平均值U0，测试位置在风速突变前、后的风速平均值U1和U2，及突变时长τ，进而得到突变加速度a＝(U2-U1)/τ；S303、根据步骤S302的多组测试结果，确定风速标定系数：κ0＝U0/U，κ1＝U1/U0，κ2＝U2/U0；突变时长标定系数：κt＝τω/θ；则突变前后风速分别为U1＝κ0κ1U、U2＝κ0κ2U，突变加速度为其中，κ0、κ2基本不随试验参数变化；κ1主要与马达角度θ有关，其拟合方程为：κ1＝f(θ)＝k1θ+b1；κt主要与马达转速ω有关，其拟合方程为：κ2＝g(ω)＝k2ω+b2；...

【技术保护点】
1.一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置，其特征在于，包括设置在风洞洞体内的突发阵风模拟装置、设置在风洞进风端与突发阵风模拟装置之间的粗糙元组、一台相对于实际的港口大型机械设备等比例缩放的待测模型、目标数据测试仪器以及两台风速测试仪器；其中，突发阵风模拟装置为由两块导流板(2)和一扇电动百叶窗(3)形成的“凵”形半封闭结构；电动百叶窗(3)朝向风洞来风端竖向设置在风洞洞体内，两块导流板(2)对称设置在电动百叶窗(3)两侧，使半封闭结构的开口侧朝向风洞另一端，两块导流板(2)与电动百叶窗(3)的两侧侧边密封连接固定为一体；电动百叶窗(3)包括所述电动百叶窗(3)包括窗体和多条竖向设置在窗体内的条形叶片(301)，每条条形叶片(301)均与设置在窗体上的电动马达(302)连接，电动马达(302)与设置在窗体上的控制器(303)连接，以实现同步驱动所有条形叶片(301)达到初始开合角度θ，并于预定时间以转动角速度ω，驱动所有条形叶片(301)转动至完全闭合状态；粗糙元组由分散且均布设置的多排的粗糙元构成，其布设在风洞进风口和环境模拟装置之间，模拟与实际一致的来流地貌；待测模型设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处，且其尺寸小于突发阵风模拟装置内部空间的尺寸；目标数据测试仪器与待测模型相连接；两台风速测试仪器分别设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处和来流不受干扰的来流参考位置处。/n...

【技术特征摘要】
1.一种港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置，其特征在于，包括设置在风洞洞体内的突发阵风模拟装置、设置在风洞进风端与突发阵风模拟装置之间的粗糙元组、一台相对于实际的港口大型机械设备等比例缩放的待测模型、目标数据测试仪器以及两台风速测试仪器；其中，突发阵风模拟装置为由两块导流板(2)和一扇电动百叶窗(3)形成的“凵”形半封闭结构；电动百叶窗(3)朝向风洞来风端竖向设置在风洞洞体内，两块导流板(2)对称设置在电动百叶窗(3)两侧，使半封闭结构的开口侧朝向风洞另一端，两块导流板(2)与电动百叶窗(3)的两侧侧边密封连接固定为一体；电动百叶窗(3)包括所述电动百叶窗(3)包括窗体和多条竖向设置在窗体内的条形叶片(301)，每条条形叶片(301)均与设置在窗体上的电动马达(302)连接，电动马达(302)与设置在窗体上的控制器(303)连接，以实现同步驱动所有条形叶片(301)达到初始开合角度θ，并于预定时间以转动角速度ω，驱动所有条形叶片(301)转动至完全闭合状态；粗糙元组由分散且均布设置的多排的粗糙元构成，其布设在风洞进风口和环境模拟装置之间，模拟与实际一致的来流地貌；待测模型设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处，且其尺寸小于突发阵风模拟装置内部空间的尺寸；目标数据测试仪器与待测模型相连接；两台风速测试仪器分别设置在突发阵风模拟装置内的中心位置处和来流不受干扰的来流参考位置处。


2.根据权利要求1所述的港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置，其特征在于，导流板(2)为木制矩形板；电动百叶窗(3)的条形叶片(301)采用强度为390～420MPa的铝合金叶片。


3.一种根据权利要求1所述的任一项港口大型机械设备突发阵风响应风洞模拟装置的试验方法，其特征在于，步骤如下：
S1、在风洞中架设突发阵风模拟装置，并于风洞进风端与突发阵风模拟装置之间布设粗糙元模拟来流地貌；
S2、根据斯托罗哈相似准则，将原型风速参数等比例换算为突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，包括风洞试验风速U、风速突变前后的平均值U1、U2及突变加速度a，同时设定突发阵风响应风洞模拟试验中的采样时长T和试验采样频率fs；
S3、根据步骤S2获取的突发阵风响应风洞模拟试验的风速参数，确定电动百叶窗的全部百叶的初始开合角度θ，以及经过T/2后全部百叶转动至完全闭合状态过程中的转动角速度ω，以实现模拟与原型突发阵风等同的突发阵风状态；
S4、将待测试位置的风速测试仪器移除，并在该位置处安装待测模型，将目标测试设备与待测模型连接，进行风洞模拟试验；其中，待测试设备包括用于模拟测压实验的压力测试系统、用于模拟测力实验的测力天平或用于模拟测振实验的振动测试及采集仪器；接着，将风洞试验风速调至U*，并将百叶窗的百叶初始开合角度调整为θ*，待风速稳定后，设置在来流参考位置的风速测试仪器和设置在待测试位置的目标测试设备开始进行数据测量，并于T/2后启动马达以转速ω驱动百叶的开合角度变化至180°，即得到待测模型在突发阵风作用下的风荷载/响应时程曲线；
S5、将经过步骤S4的风洞试验的模拟测量数据按照步骤S2的几何缩尺比换算为原型的相应数据，其具体换算方法为：
1)针对模拟测压实验，原型压力＝模型压力/λU2；
2)针对模拟测力实验，原型基底风力＝模型基底风力/λU2λL2，原型基底风力矩＝模型基底风力矩/λU2λL3；
3)针对模拟测振实验，原型位移响应＝模型位移响应/λL，原型加速度响应＝模型加速度响应/λa。


4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，步骤S2的具体步骤为：
S201、设定风速比λU，通过风速比公式：λU＝U/Up确定试验风速U，其中，Up为原型风速；
S202、根据斯托罗哈相似准则，结合港口大型机械设备缩放模型与港口大型机械设备原型的几何缩尺比λL＝L/Lp确定频率比λf＝λU/λL，其中，L为模型尺寸，Lp为原型尺寸；从而确定时间比λT＝λL/λU和加速度比λa＝λU/λT；...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪宁宁，彭士涛，苏宁，易振国，
申请(专利权)人：交通运输部天津水运工程科学研究所，
类型：发明
国别省市：天津;12