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

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明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，本发明采用的技术方案为：

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^-atcos>

y(t)＝R₃e^-atsin>

z(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。

本发明结构紧凑、安装使用方便，借助本发明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为本发明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发明的技术方案：

本发明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；

F_r、F_θ、F_z和F_T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(F_r,F_θ,F_z)＝-v(v_r,v_θ,v_z)，F_T＝-kT′/T₀，且设v_r、v_θ只与r有关，v_z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

v_z＝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)：

v_r＝-ar式(8)

将式(8)代入式(3)得到下式：

若取黏性系数υ＝2a，则

v_θ＝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。