一種基于風洞的龍卷風模擬器、其運行方法及其所得龍卷風模型技術

本發明專利技術公開一種基于風洞的龍卷風模擬器、其運行方法及其所得龍卷風模型，風塔為筒體結構，安裝在風洞實驗段上壁外側；風塔主要包括整流裝置和導流裝置；整流裝置包括整流罩和蜂窩器；整流罩內部安裝電機和風扇轉子；通過改變電機的轉速調節流場的雷諾數；導流裝置主要是產生渦旋風場的導流板；蜂窩器與電機的軸線平行；升降臺安裝在風洞實驗段上下洞壁之間，通過升降臺的上下移動調節流場的高度，進而調節流場的高寬比；通過升降臺上表面的平動機構實現被試驗模型與龍卷風的平動效果。本發明專利技術結構緊湊、安裝使用方便，能夠更好地模擬自然界不同情況下的龍卷風。

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.

【技術實現步驟摘要】
一種基于風洞的龍卷風模擬器、其運行方法及其所得龍卷風模型
本專利技術涉及一種龍卷風模擬器，尤其涉及基于風洞的實驗室用龍卷風模擬器。
技術介紹
龍卷風是一種極端天氣現象，它具有極大的破壞力。目前，對于龍卷風風場特性研究主要有風場實測、理論分析、實驗室物理模擬和數值模擬等方法，而實驗室物理模擬裝置大多數都是基于Ward型模擬系統的原理建造。Ward型模擬系統能夠模擬多種類似龍卷風的渦旋風場，但該系統無法考慮龍卷風的水平移動。Haan等在Ward研究基礎上，改進了Ward型模擬系統，將風機以及導流板都安裝在模擬器頂部，并通過移動臺架來模擬龍卷風的水平運動，試驗數據得到了多普勒實測數據的驗證。王錦等基于Haan型模擬系統建造了TVS龍卷風模擬器，該模擬器能夠在水平方向上移動，最大移動速度只能達到0.4m/s。現有的龍卷風模擬裝置普遍存在移動速度小及應用領域窄問題。
技術實現思路
為了克服現有技術的不足，本專利技術的目的是提供一種應用范圍廣、安裝使用方便、移動速度調整范圍大的龍卷風模擬器。為解決上述技術問題，本專利技術采用的技術方案為：一種基于風洞的實驗室用龍卷風模擬器，主要包括風洞、風塔、導流板、電機、整流罩、風扇轉子、蜂窩器和升降臺；其中，風塔整體為筒體結構(外徑R1，內徑R2)，安裝在風洞實驗段上壁外側；風塔主要包括整流裝置和導流裝置；整流裝置包括整流罩和蜂窩器；整流罩內部安裝提供風源的電機和風扇轉子；導流裝置主要是產生渦旋風場的導流板；導流板與塔體法線的夾角為θ，θ的范圍20～60度，通過調節θ的大小實現調節流場的渦流比；通過改變電機的轉速實現調節流場的雷諾數；蜂窩器用于整流，與電機的軸線平行。升降臺安裝在風洞實驗段上下洞壁之間，通過升降臺的上下移動調節流場的高度，從而實現調節流場的高寬比。通過升降臺上表面的平動機構實現被試驗模型與龍卷風的平動效果。當龍卷風模擬器工作時，升降臺處于實驗設置高度；當模擬器不工作時，升降臺可調至與風洞實驗段下底壁。利用氣壓梯度力、慣性離心力和黏性力三力相平衡的大氣動力和熱力學方程組，獲得龍卷風的三維速度場的數學模型如下式：x(t)＝R3e-atcosbty(t)＝R3e-atsinbtz(t)＝-2at其中，a為渦流比，R3為龍卷風的初始半徑，H為流場的高度，H＝(H1-H3)+(H2-H4)，θ為導流板方向角度，b為龍卷風旋轉角速度。本專利技術結構緊湊、安裝使用方便，借助本專利技術的龍卷風模擬器能模擬氣流的最大移動為30m/s的龍卷風，調整范圍大；能夠更好地模擬自然界不同情況下的龍卷風。附圖說明圖1為本專利技術基于風洞的實驗室用龍卷風模擬器的結構示意圖；圖2為圖1的俯視圖；圖3為導流板方向角示意圖；圖4為龍卷風結構軌道示意圖；圖5為水平移動的龍卷風結構軌道示意圖；圖6為被試驗模型與龍卷風的平動效果示意圖。圖中：1、風洞，2、風塔，3、導流板，4、電機，5、整流罩，6、風扇轉子，7、蜂窩器，8、升降臺。具體實施方式以下將結合附圖和實施例具體說明本專利技術的技術方案：本專利技術涉及一種新型龍卷風模擬器，如圖1所示，風塔2安裝在風洞1實驗段上壁外側，風塔2包括導流板3和整流罩5，整流罩5內部安裝提供風源的電機4和風扇轉子6，蜂窩器7的軸線與電機4軸線平行，升降臺8安裝在風洞1實驗段下壁內側。通過風洞來流實現模擬龍卷風的水平移動；通過改變電機的轉速實現調節流場的雷諾數；通過調節導流板的安裝角度θ實現調節流場的渦流比；通過升降臺的上下移動調節流場的高度，從而實現調節流場的高寬比；通過升降臺上表面的平動機構實現被試驗模型與龍卷風的平動效果。實施例1借助該龍卷風模擬器，利用氣壓梯度力、慣性離心力和黏性力三力相平衡的大氣動力和熱力學方程組，獲得龍卷風的三維速度場的數學模型。含有氣壓梯度力、慣性離心力和黏性力的Boussinesq近似的大氣動力學和熱力學方程組的柱坐標(r,θ,z)形式為式(1)：其中，和分別為徑向、切向和垂直方向的加速度；ρ0、T0和p0為基本場的密度、溫度和氣壓；p′和T′為擾動氣壓和擾動溫度；Fr、Fθ、Fz和FT分別為三個方向(r,θ,z)的黏性力和熱傳導項；N為浮力頻率，由于龍卷風的漏斗結構是軸對稱的，取對稱軸設(Fr,Fθ,Fz)＝-v(vr,vθ,vz)，FT＝-kT′/T0，且設vr、vθ只與r有關，vz只與z有關，T′/T0隨著r、z變化很小，則式(1)可化簡為其中，υ、k和g分別是黏性系數、導熱系數和重力加速度。由于漏斗結構是從由上向下伸展而成的，因此，設vz＝2az(a＞0,z＜0)式(7)式中a是一個正的常數，將式(7)代入式(5)得到龍卷風的徑向速度場，見式(8)：vr＝-ar式(8)將式(8)代入式(3)得到下式：若取黏性系數υ＝2a，則vθ＝br式(9)式中，b是一個積分常數。將式(7)、式(8)和式(9)三式歸納在一起，就是龍卷風的三維速度場所以，圖1所示的新型龍卷風模擬器產生的龍卷風數學模型的直角坐標形式為其中，a為渦流比，R3為龍卷風的初始半徑，H為流場的高度，H＝(H1-H3)+(H2-H4)，θ為導流板方向角度，b為龍卷風旋轉角速度。式(11)轉化成極坐標形式為仿真中取值：R3＝0.6m，H的范圍0.9m～2.15m，θ的范圍20～60度，則a的范圍0.08～0.39，仿真中a取0.2，電機4的轉速為25rad/s，b為25rad/s。實施例1所得到的龍卷風結構軌道如圖4所示。實施例2圖1所示的新型龍卷風模擬器所在的風洞能夠實現氣流的最大移動速度V的求值。圖1所示的新型龍卷風模擬器產生的龍卷風數學模型為：仿真中取值：R3＝0.6m，H的范圍0.9m～2.15m，θ的范圍20～60度，則a的范圍0.08～0.39，仿真中a取0.2，電機4的轉速為25rad/s，b為25rad/s。則圖1所示的新型龍卷風模擬器能夠模擬的龍卷風最大水平移動速度為V＝30m/s。實施例2所得到的龍卷風如圖5所示。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于風洞的龍卷風模擬器，其特征在于，主要包括風洞、風塔、導流板、電機、整流罩、風扇轉子、蜂窩器和升降臺；其中，風塔整體為筒體結構，安裝在風洞實驗段上壁外側；風塔主要包括整流裝置和導流裝置；整流裝置包括整流罩和蜂窩器；整流罩內部安裝電機和風扇轉子；導流裝置主要是產生渦旋風場的導流板；蜂窩器用于整流，與電機的軸線平行；升降臺安裝在風洞實驗段上下洞壁之間。

【技術特征摘要】
1.一種基于風洞的龍卷風模擬器，其特征在于，主要包括風洞、風塔、導流板、電機、整流罩、風扇轉子、蜂窩器和升降臺；其中，風塔整體為筒體結構，安裝在風洞實驗段上壁外側；風塔主要包括整流裝置和導流裝置；整流裝置包括整流罩和蜂窩器；整流罩內部安裝電機和風扇轉子；導流裝置主要是產生渦旋風場的導流板；蜂窩器用于整流，與電機的軸線平行；升降臺安裝在風洞實驗段上下洞壁之間。2.根據權利要求1所述的基于風洞的龍卷風模擬器，其特征在于，所述的導流板與塔體法線的夾角為θ，θ的范圍是20～60度。3.根據權利要求1所述的基于風洞的龍卷風模擬器，其特征在于，當龍卷風模擬器工作時，升降臺處于實驗設置高度；當模擬器不工作時，升...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姚裕，李先影，吳洪濤，呂常魁，劉源，趙彪，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32