一種產生豎向脈動氣流的主動格柵裝置的制作方法

本發明屬于風洞實驗技術領域,具體涉及一種產生豎向脈動氣流的主動格柵裝置。

背景技術：

在長大跨橋梁結構及大跨屋蓋結構及類似結構風洞試驗研究中，豎向脈動氣流特性是影響風致響應與風荷載的重要因素，因此在邊界層風洞試驗中需要進行仔細模擬。但現有風洞試驗技術一般通過橫豎交叉的格柵條，或多個分離的三角形尖劈等被動模擬方式實現，尚缺乏可以設置目標參數的主動控制模擬方法。

對于長大跨度橋梁結構和大跨度屋蓋結構而言，豎向脈動氣流是最重要的風場脈動分量，對豎向脈動分量的模擬是很多風洞試驗成敗的關鍵。但是，在現有的風洞試驗技術領域，被動模擬裝置對以豎向布置的尖劈為主，需要時可以輔助水平布置的格柵條，該類模擬方法很難生成在整個模型安裝區域滿足需要的豎向風譜，且其產生的風譜在風洞中會隨著位置的變化而改變。同時，結構抖振力理論氣動導納函數最初是通過單一諧波脈動風假設來推理的，因此在風洞內產生單一諧波脈動風對抖振理論研究的意義很大。此外，結構物的特征尾流，常常為具有某種頻譜特征的周期性脈動流，它可以通過多階傅里葉級數來表達，而自然風的風譜常常為具有一定頻譜特征的隨機脈動流。

目前在風洞內產生上述三類特征脈動流的手段非常匱乏，據發明人所知國內尚未出現該類通用設備，因此通過一定的手段來實現特定頻譜脈動風場的主動模擬方法對理論研究和實際工程應用都具有重要意義。

本發明由國家自然科學基金項目(No.51478181、U1534206)聯合資助。

技術實現要素：

針對上述問題，本發明旨在提供一種可在風洞中產生豎向脈動氣流的主動格柵，可以通過控制主動格柵的運行，在格柵下游產生單一頻率諧波、多頻率組合諧波及頻譜特性可控的隨機振動為特征的豎向脈動氣流。

本發明解決問題的技術方案是：一種產生豎向脈動氣流的主動格柵裝置，包括固定于風洞壁上的支承框架，其特征在于：所述支承框架自上而下依次間隔鉸接有多根水平設置的振動翼柵；

所述支承框架下部設有水平設置的第一傳動桿，并設有驅動第一傳動桿上下平動的驅動裝置；

所述支承框架上部鉸接有豎向設置的第二傳動桿，第二傳動桿的下端與第一傳動桿鉸接，且第二傳動桿與每一根振動翼柵鉸接。

上述方案中，驅動裝置驅動第一傳動桿上下平動，并帶動第二傳動桿上下移動，第二傳動桿引導振動翼柵在風場中發生頻譜特性可控的上下擺動，從而在下游風場中產生相應頻譜特征的豎向脈動氣流。

具體的，所述驅動裝置包括固定在支承框架底部的伺服電機、設置在伺服電機的轉軸上的偏心輪、套裝于偏心輪外的運動框，所述第一傳動桿水平固定于運動框頂部，運動框在偏心輪帶動下可上下平動。

上述方案中，伺服電機帶動偏心輪在運動框內轉動，偏心輪與運動框左右內壁之間預留一定的空隙，從而在偏心輪運動中釋放左右側運動，僅引導運動框沿上下方向運動。運動框在偏心輪帶動下上下平動，進而使得第一傳動桿上下平動。

偏心輪可以設計為具有10mm、20mm、30mm等豎向運動位移的組件，可以通過調節振動翼柵的豎向振幅來改變豎向脈動氣流的紊流度大小，以滿足不同實驗需求。

優選的，所述支承框架從左自右至少分為兩個區域框，每個區域框內均自上而下依次間隔鉸接有多根水平設置的振動翼柵，每個區域框內至少設有一根第二傳動桿，每一根第二傳動桿均與第一傳動桿鉸接。

本發明的顯著效果是：

1.通過振動翼柵對氣流的引導作用產生豎向脈動氣流，氣流豎向脈動的周期與振動翼柵的運動周期相同，脈動風場湍流度可根據實驗需要調節，具備較好的氣流可控特性。

2.采用伺服電機和控制軟件相配合，可以在風洞內產生單一頻率諧波的豎向脈動氣流、多頻率組合諧波的豎向脈動氣流以及按照某一頻譜為目標的循環可控的隨機豎向脈動氣流，具備很強的適用性能。

附圖說明

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

圖1是本發明的主裝配圖。

圖2是圖1中的A-A斷面圖。

圖3是圖1中的B-B斷面圖。

圖4是振動翼柵大樣圖。

圖5是運動框部位大樣圖。

圖中：1、支承框架；2、振動翼柵；3、第二傳動桿；4、第一傳動桿；5、運動框；6、伺服電機；7、偏心輪。

具體實施方式

為了便于描述，各部件的相對位置關系(如：上、下、左、右等)的描述均是根據說明書附圖的布圖方向來進行描述的，并不對本專利的結構起限定作用。

如圖1～5所示，一種產生豎向脈動氣流的主動格柵裝置，包括固定于風洞壁上的支承框架1，所述支承框架1自上而下依次間隔鉸接有多根水平設置的振動翼柵2。

所述支承框架1下部設有水平設置的第一傳動桿4，并設有驅動第一傳動桿4上下平動的驅動裝置。所述驅動裝置包括固定在支承框架1底部的伺服電機6、設置在伺服電機6的轉軸上的偏心輪7、套裝于偏心輪7外的運動框5。所述第一傳動桿4水平固定于運動框5頂部。運動框5在偏心輪7帶動下可上下平動。

所述支承框架1上部鉸接有豎向設置的第二傳動桿3，第二傳動桿3的下端與第一傳動桿4鉸接，且第二傳動桿3與每一根振動翼柵2鉸接。

偏心輪7可以設計為具有10mm、20mm、30mm豎向運動位移的組件，可以通過調節振動翼柵2的豎向振幅來改變豎向脈動氣流的紊流度大小，以滿足不同實驗需求。

一種優選的實施方案中，所述支承框架1從左自右至少分為兩個區域框。每個區域框內均自上而下依次間隔鉸接有多根水平設置的振動翼柵2。每個區域框內至少設有一根第二傳動桿3。每一根第二傳動桿3均與第一傳動桿4鉸接。

伺服電機6帶動偏心輪7在運動框內5轉動，運動框5在偏心輪7帶動下上下平動，進而使得第一傳動桿4上下平動。第一傳動桿4帶動第二傳動桿3上下移動，第二傳動桿3引導振動翼柵2在風場中發生頻譜特性可控的上下擺動，從而在下游風場中產生相應頻譜特征的豎向脈動氣流。

可以通過伺服電機與伺服驅動器的配合實現如下三類運動形式：

(1)單一諧波頻率運動，運動位移d1＝A.sin(ωt)，其中運動頻率f＝0.1～3Hz可調，ω＝2πf，t為時間，A為運動位移幅值，根據格柵設計初始條件設定。

(2)多諧波組合運動，運動位移j＝2～10多階諧波組合可根據需要選擇，其中ω＝2πf，f為運動頻率，a_n為運動位移幅值，t為時間。

(3)隨機運動，運動位移d3根據目標風譜通過FFT逆變換得到運動時程，然后通過峰值平滑處理技術得到電機運行可接受的運行曲線。

控制目標在于實現具有三類特性的豎向脈動可控氣流。

本發明中伺服電機6的運動通過軟件“格柵運行控制”來調節參數，從而實現單一頻率諧波運動、多頻率諧波組合運動及以某一頻譜為目標的隨機振動等多種運動形式。所述“格柵運行控制”為現有的軟件名稱。