一种可移动便携式风蚀风洞制造技术

本发明专利技术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场；(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。

【技术实现步骤摘要】
一种可移动便携式风蚀风洞 本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对目前国内外现有便携式风洞的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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、本专利技术设计的入口段为斜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。本专利技术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。本专利技术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场，风速廓线为对数分布，符合自然大气边界层近地面层的风速特征。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。附图说明图1为本专利技术结构示意图。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)随海拔本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（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（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（２）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“ｎ”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（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（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（２）、圆形变矩形过渡段（３）、扩散段（４）、整流段（５）和收缩段（６）的下地板与实验段内的地面齐平。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩庆杰，屈建军，凌裕泉，张克存，
申请(专利权)人：中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，
类型：发明
国别省市：62