一种大气边界层风洞的非定常风的模拟方法

摘要

本发明涉及一种大气边界层风洞的非定常风的模拟方法，其通过变频器的频率值变化调节多风机转速来控制风洞内风速，在不同频率下测量风机风速，标定风机的响应关系曲线，通过组态王软件控制变频器频率变化，实现恒定风速、正弦风速调节，通过热线风速仪的风速测量结果，对变频器的频率值变化进行修正，可保证风洞内风速的高频变化，克服风机惯性影响，在高流速的前提下实现了风洞内可控的非定常风，能够高度近似模拟野外阵风，为对大气边界层空气流动状态以及流动特性的研究提供参考意义。

说明书

技术领域

本发明属于流体动力学研究技术领域，具体涉及一种大气边界层风洞的非定常风的模拟方法。

背景技术

土地沙漠化、沙尘暴等是全球性的严重环境问题，荒漠化防治是国际社会关注的焦点.按照《联合国防治沙漠化公约》确立的定义，我国荒漠化的土地面积高达280多万平方公里，占我国近1/3国土面积。在华北、东北、西北的“三北”地区，有80％的漠化、土壤风蚀及草场退化所形成的荒漠化面积达2460km2.尤其是我国西部的沙漠面积达70多万平方公里，约占国土面积的1/14，全球第二大流动性沙漠新疆塔克拉玛干沙漠一直是我国风沙危害最为严重的地区。在西部干旱半干旱地区特殊生态环境下，加之以水土开发为主的人类活动，使得以土地荒漠化为典型象征的生态环境恶化趋势越演越烈，以至影响到区域生态环境安全和区域社会经济的持续发展，违背了党和政府倡导经济发展的可持续性、注重经济发展和环境保护同步的科学发展观，这一基本国情决定了荒漠化问题始终是我国现代化建设进程中必须处理好的一个重大问题，也决定了防沙治沙工作始终是关系经济社会可持续发展全局的一项重要工作。风洞实验是风沙迁移研究的基本手段，其研究结果是防风治沙工作的理论基础，具有重要的实践意义。

大气边界层风洞(Atmospherical Boundary Layer Wind-tunnel,ABL Wind-tunnel)是用来模拟大气边界层内空气流动状态的一类风洞，其最早被用于研究污染物扩散问题，进而在环境、建筑、汽车、化工、机械等领域得到了广泛应用。ABL风洞在风沙迁移研究中的应用最早可追溯到上世纪40年代，Bagnold和Chepil等利用边界层风洞开展了风沙运动和土壤侵蚀的实验研究。

目前风洞的研究常限于对风洞内定常风速流场的模拟，但是野外阵风为无规律随机变化的非定常湍流，有大尺度结构的非定常特征和小尺度结构的高频脉动特性，因此，定常风的模拟并不能全面反应出空气流动状态以及流动特性。

发明内容

为了克服现有技术所存在的不足，本发明提供了一种能够克服风机惯性影响、能够在高流速的前提下实现风洞内风速的非定常变化，模拟过程简单且对大气边界层空气流动状态以及流动特性的研究提供参考意义的大气边界层风洞内非定常风的模拟方法。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：

该大气边界层风洞的非定常风的模拟方法由以下步骤实现：

(1)在风洞的进风端和出风端设置有多台与变频器连接的风机，进风端的送风风机与出风端的吸风风机串联，在风洞的试验段中部自上而下纵向梯度分布多个热线探头，用于检测风洞内的风速廓线分布；

(2)通过改变变频器的电流频率，在不同频率下测量多台风机同时运行时的风速，标定吸风风机和送风风机的变频器频率变化与风速跟随性响应曲线，拟合得到频率变化与风速跟随性响应关系为：u＝F(f_m)，u表示风速，f_m表示变频器的频率值；

(3)根据步骤(2)的标定结果，通过组态王软件控制调节变频器频率实现风机的恒定风速、正弦风速的调节，并对变频器的运转实现监控；

(4)对步骤(3)变频器的频率值变化进行修正，调整多台风机叠加时吸风风机与送风风机的正弦风速周期、幅值的差异以及相位角变化叠加，使风洞内生成的阵风能量谱分布符合柯尔莫哥洛夫的-5/3次方律，即可模拟得到非定常风。

进一步说明，所述步骤(3)中变频器的频率控制方程为：

f_m＝Asin(2π/Tt+θ)+k，0hz≤f_m≤50hz；

式中f_m为变频器的频率值；A为振幅；T为周期；t为时间；θ为相位角；k为截距。

进一步说明，所述步骤(4)具体是：用热线风速仪测量风洞中的主流风速，将所得风速序列进行傅里叶变换，得到风速能量谱分布，确定由送风风机和吸风风机的生成风主含能频率w₃和w₄，根据野外实测阵风数据，调整送风风机、吸风风机的变频器频率变化控制方程的周期、相位角及振幅使风洞内生成的阵风能量谱分布符合柯尔莫哥洛夫的-5/3次方律且与野外实测阵风的低频能谱一致。

进一步说明，所述送风风机的变频器频率变化控制方程为f_m3＝A-₃sin(2π/T₃t₃+θ₃)+k₃，吸风风机的变频器频率变化控制方程为f_m4＝A-₄sin(2π/T₄t₄+θ₄)+k₄；

式中：f_m3为对应送风风机的变频器的频率值，f_m4为对应吸风风机的变频器的频率值；A₃、A₄为对应送风/吸风风机的变频器的频率值周期变化的振幅；T₃、T₄为对应送风/吸风风机的变频器的频率值周期变化的周期；t₃、t₄为时间；θ₃、θ₄为对应送风/吸风风机的变频器的频率值周期变化的相位角；k₃、k₄为对应送风/吸风风机的变频器的频率值周期变化的平均值，即曲线的截距。

进一步说明，所述的风机为串联的2～5台。

本发明的大气边界层风洞的非定常风的模拟方法，通过变频器的频率值变化调节双/多风机转速来控制风洞内风速，在不同频率下测量风机风速，标定风机的响应关系曲线，通过组态王软件控制变频器频率变化，实现恒定风速、正弦风速调节，通过热线风速仪的风速测量结果，对变频器的频率值变化进行修正，可保证风洞内风速的高频变化，克服风机惯性影响，在高流速的前提下实现了风洞内可控的非定常风，能够高度近似模拟野外阵风，为对大气边界层空气流动状态以及流动特性的研究提供参考意义。

附图说明

图1为风洞的结构示意图。

图2为热线风速仪示意图。

图3为双风机可控恒定风频率变化与风速图像。

图4为双风机可控正弦风频率变化与风速图像。

图5为风洞内所模拟的非定常风的频率变化与风速曲线。

图6为风洞内所模拟的非定常风的频率变化与风速曲线。

具体实施方式

参见附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。

参见图1的风洞结构示意图，本实施例的风洞的直径为940mm，实验段长度为9000mm，在风洞的进风端安装送风风机，出风端安装出风风机，并在风洞的实验段中部自上而下纵向梯度分布多个用于检测风洞内风速的热线探头，如图2所示。将风机与变频器以及控制柜连接之后，开始模拟大气边界层风洞的非定常风，具体步骤如下：

(1)在风洞的两端各自安装风机，在风洞的试验段中部自上而下纵向梯度分布多个热线探头之后，确定风机以及与风机连接的变频器的工作参数，以调整其在工作参数范围内工作，如最大转速3000r/min、最大风速为30m/s以及变频器的最大工作频率50hz等。

(2)通过改变变频器的电流频率，测量吸风风机和送风风机的单机风速和双台风机同时开启时的双机风速，分别获得吸风风机和送风风机的变频器频率变化与单机风速跟随性响应曲线以及变频器频率变化与双机风速跟随性响应曲线，标定风速与变频器频率之间的定常变化关系为：u＝F(f_m)

u表示风速，f_m表示变频器的频率值；

在单风机标定时，吸气风机和吹气风机对应的变频器频率分别以5hz的增量逐步增大，待风洞内流场稳定后依次测得该频率下对应的风洞主流风速，同样步骤变频器频率下降再进行一次测量，以测得数据拟合得到风速与变频器频率的标定关系，以确定双风机工作时的干扰损耗。之后两台风机同时开启按照单风机标定方法，拟合得到双台风机与风速与变频器频率的标定关系。

由于具体实验时粗糙元铺设、模型尺寸及通流情况会有变化，因此在每次实验前需要进行风速与变频器频率的标定。

(3)根据步骤(2)的标定结果，通过组态王程序编译对变频器的运转实现监控，同时通过组态画面周期调节变频器频率实现风机的恒定风速、正弦风速的调节；组态王程序发送命令通过PLC控制器去设定送风风机和吸风风机同时开启时对应的变频器频率的周期变化，对应的变频器频率值的控制方程为：

f_m＝Asin(2π/Tt+θ)+k，0hz≤f_m≤50hz；

式中f_m为变频器的频率值；A为振幅；T为周期；t为时间；θ为相位角；k为截距。

根据步骤(2)标定结果，若在组态王中设定双风机变频器控制方程的振幅A₁为0，截距k恒定为40hz，可形成恒定风速如图3所示；若在组态王中设定双风机变频器控制方程的振幅A₂皆为10hz，截距k₂皆为35hz，周期T₂皆为60s，相位角θ₂皆为3π/2，则使双风机频率值周期性变化实现正弦风速的设定如图4所示。

根据步骤(2)标定结果，改变组态王中双风机变频器控制方程的振幅、周期、相位角、截距可模拟出需要的正弦风速。

(4)对步骤(3)变频器的频率值变化进行修正，调整多台风机叠加时吸风风机与送风风机的正弦风速周期、幅值的差异以及相位角变化叠加，使风洞内生成的阵风能量谱分布符合柯尔莫哥洛夫的-5/3次方律，即可模拟得到非定常风。

设定送风风机变频器频率值的控制方程为f_m3＝A₃sin(2π/T₃t₃+θ₃)+k₃，吸风风机变频器频率值的控制方程为f_m4＝A₄sin(2π/T₄t₄+θ₄)+k₄

式中f_m3为对应送风风机的变频器的频率值，f_m4为对应吸风风机的变频器的频率值；A₃、A₄为对应送风/吸风风机的变频器的频率值周期变化的振幅；T₃、T₄为对应送风/吸风风机的变频器的频率值周期变化的周期；t₃、t₄为时间；θ₃、θ₄为对应送风/吸风风机的变频器的频率值周期变化的相位角；k₃、k₄为对应送风/吸风风机的变频器的频率值周期变化的平均值，即曲线的截距。

用热线风速仪测量风洞中的主流风速，将所得风速序列进行傅里叶变换，得到风速能量谱分布，确定由送风风机和吸风风机的生成风主含能频率w₃和w₄，根据野外实测阵风数据，调整送风风机、吸风风机的变频器频率变化控制方程的周期、相位角及振幅使风洞内生成的阵风能量谱分布符合柯尔莫哥洛夫的-5/3次方律且与野外实测阵风的低频能谱一致。

对上述实施例所得到的非定常风进行测定，送风风机变频器频率值变化的振幅A₅为20hz，截距k₅为20hz，周期T₅为120s，相位角θ₅为3π/2；吸风风机变频器频率值变化的振幅A₆为10hz，截距k₆为10hz，周期T₆为60s，相位角θ₆为3π/2；双风机振幅、截距相差10hz，周期相差60s，非定常风的频率变化与风速曲线如图5所示。送风风机变频器频率值变化的振幅A₇为10hz，截距k₇为30hz，周期T₆为60s，相位角θ₇为0；吸风风机变频器频率值变化的振幅A₈为10hz，截距k₈为30hz，周期T₈为60s，相位角θ₈为π；双风机相位角相差π，非定常风的频率变化与风速曲线如图6所示。