本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)風(fēng)工程技術(shù)領(lǐng)域的試驗(yàn)裝置，尤其涉及一種風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置及制造和使用方法。

背景技術(shù)：

近年來，各類結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)災(zāi)事故頻發(fā)，其中輸電塔線體系的安全問題尤為突出。這一方面是其自身的結(jié)構(gòu)特征所致，例如線路走廊綿長，途經(jīng)惡劣氣候高發(fā)區(qū)域和復(fù)雜地形的概率較大，結(jié)構(gòu)柔度較強(qiáng)，較易在自然風(fēng)作用下激發(fā)出強(qiáng)烈的振動等；另一方面則是由于設(shè)計(jì)時對微地形風(fēng)場和以下?lián)舯┝?包含颮線風(fēng))為代表的非良態(tài)風(fēng)場的考慮不足，此處統(tǒng)稱為復(fù)雜條件風(fēng)場。事故現(xiàn)場的調(diào)查報告和氣象資料也表明，大多數(shù)的強(qiáng)風(fēng)致倒塔和風(fēng)偏閃絡(luò)事故均發(fā)生于有風(fēng)場加速效應(yīng)的微地形環(huán)境或疑似出現(xiàn)下?lián)舯┝鞯木值囟虝r強(qiáng)對流天氣中。

相較于常規(guī)大氣邊界層風(fēng)場，復(fù)雜條件風(fēng)場多為空間分布極不均勻的局地風(fēng)場，而在輸電線路的設(shè)計(jì)過程中，需準(zhǔn)確把握整個線路走廊的風(fēng)場空間分布特征。這顯然無法僅通過設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)有限個氣象監(jiān)測站的數(shù)據(jù)觀測記錄來體現(xiàn)。目前此類風(fēng)場，一般通過實(shí)際山體縮尺模型的室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)來進(jìn)行模擬，并通過一定的測量手段采集不同空間位置處的風(fēng)速剖面。

事實(shí)上，山體模型的縮尺比一般較大，同時，需重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域較廣，測點(diǎn)數(shù)目較多，此時若采用逐點(diǎn)采集的方法，測量成本較高，且測點(diǎn)定位的準(zhǔn)確性對測試結(jié)果的影響較大。此時，宜采用包含多個風(fēng)速探頭的排管來采集風(fēng)速剖面。然而，以往應(yīng)用于常規(guī)大氣邊界層風(fēng)洞中的風(fēng)速排管，僅采集了總壓和靜壓，并未考慮風(fēng)場的三維效應(yīng)，其測試結(jié)果無法體現(xiàn)復(fù)雜條件風(fēng)場不同高度風(fēng)速的風(fēng)攻角差異。此外，各探頭的離地高度固定不變，當(dāng)需針對指定空間位置處的某個高度范圍進(jìn)行測點(diǎn)加密時，無法實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)高度的實(shí)時調(diào)整。因此，現(xiàn)有的測量裝置和方法不能滿足實(shí)際需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置及制造和使用方法，可直接用于復(fù)雜條件風(fēng)場三維風(fēng)速的快速測定；

進(jìn)一步的可以制造直接用于復(fù)雜條件風(fēng)場三維風(fēng)速的快速測定的便攜裝置。

本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置，

包括：由上、下端面和中間部構(gòu)成的工字型支撐架，所述的工字型支撐架中間部為流線型殼體，上、下兩端面均設(shè)置有蓋板，蓋板與流線型殼體密封固定設(shè)置，其中下端面蓋板上設(shè)置有出線孔；

所述的流線型殼體內(nèi)部固定設(shè)置有卡槽，卡槽內(nèi)設(shè)置有探頭安裝板，所述的探頭安裝板與卡槽卡接固定；

所述的探頭安裝板的上、下兩端部分別通過緊固螺栓與卡槽的上、下兩端部分別固定；

還包括有殼體安裝板，殼體安裝板上方緊貼設(shè)置有水準(zhǔn)板，水準(zhǔn)板與殼體安裝板一端鉸接；

所述的探頭安裝板上設(shè)置有刻度和多個探頭安裝孔，所述的多個探頭安裝孔上方分別設(shè)置有一個定位槽；探頭安裝孔用于固定安裝多孔探頭，所述的多孔探頭上設(shè)置有定位凸臺，所述的定位凸臺與定位槽配合設(shè)置。

所述的多孔探頭分離式多孔探頭，各孔均為貫通空腔，所述探頭的頭部形狀為錐狀或球狀，所述探頭的長度可調(diào)。

所述的水準(zhǔn)板的側(cè)端面上還設(shè)置有用于對探頭傾角的快速讀取的氣泡水平儀。

包括以下幾個步驟：

A：將組裝好并標(biāo)定完畢的風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置安裝在待測的空間位置上；

B：在探頭安裝板上讀取各個多孔探頭的整體偏移距離z0，當(dāng)探頭安裝板整體均位于卡槽內(nèi)時z0=0，此時離地面最近的一個探頭的離地高度為z1，相鄰探頭間的距離zij，其中，j=i+1；因此，各探頭的離地高度；

C：采用三角板量取水準(zhǔn)板末端與殼體安裝板的垂直距離h，根據(jù)水準(zhǔn)板的長度l，計(jì)算得到探頭的局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系的夾角，

D：根據(jù)直接由各個探頭測得的三維風(fēng)速結(jié)果換算得到整體坐標(biāo)系下該位置的三維風(fēng)速剖面。

一種風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置的制造方法，包括以下步驟：

步驟一：確定擬采用的多孔探頭的型號和數(shù)目，所述多孔探頭的型號包括孔數(shù)、開孔位置、探頭頭部形狀和直徑；

步驟二：根據(jù)試驗(yàn)縮尺比確定探頭安裝板的厚度，制作與探頭個數(shù)配套的探頭安裝板，并在探頭安裝板上設(shè)置刻度；

步驟三：制作長度與安裝板長度相同的流線型殼體，在流線型殼體內(nèi)設(shè)置與探頭安裝板配套的卡槽，在卡槽的頂部和底部設(shè)置緊固螺栓；

步驟四：在流線型殼體頂部和底部分別固定設(shè)置開了孔的殼體安裝板和水準(zhǔn)板，兩者通過連接件進(jìn)行連接，在水準(zhǔn)板上安裝氣泡水平儀，并制作配套的蓋板，保證裝置內(nèi)腔體的密閉性；

步驟五，進(jìn)行整個裝置的組裝，并對多孔探頭進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定完成后將裝置安裝到復(fù)雜地形條件中即可直接測量不同空間位置的風(fēng)速剖面。

所述步驟二中，探頭安裝板上、下部均標(biāo)有刻度，可實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)高度的整體實(shí)時調(diào)整，在不影響殼體流線型外形并保證殼體尺寸不過大的前提下，探頭安裝板的厚度不宜過薄，以保證探頭的與殼體的垂直度。

所述步驟二中，板上的探頭安裝孔配有定位槽，防止探頭在安裝過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動。

所述步驟三中，殼體前部需開槽形孔，寬度由各個高度五孔探頭的尺寸所決定。

所述步驟四中，殼體安裝板的開孔深度小于其厚度，開孔形狀與殼體的橫截面相同，但是略大于其橫截面，方便蓋板的擱置和移除，水準(zhǔn)板的開孔上下貫通，開孔尺寸和形狀與殼體安裝板相同。

所述步驟四中，殼體安裝板和水準(zhǔn)板的連接件需保證兩塊板能繞連接件的安裝軸自由轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明通過使探頭的初始俯仰角可調(diào)至與目標(biāo)地形的地面平行，且可直接讀取，同時，探頭的長度可調(diào)，從而可用于不同縮尺比的任何復(fù)雜地形模型任一空間位置的風(fēng)速剖面測量，其次設(shè)置卡槽使測點(diǎn)高度可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)所有測點(diǎn)的整體移動。而且當(dāng)需調(diào)整相鄰測點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)局部加密時，僅需更換探頭安裝板即可，可快速測定目標(biāo)區(qū)域的風(fēng)場空間分布特征。最后，各個多孔探頭的標(biāo)定可在整個裝置組裝完畢后同步完成，標(biāo)定過程簡單便捷，精度高，測量結(jié)果穩(wěn)定性好。本發(fā)明裝置制作簡單、安裝便捷、適用范圍廣、造價低廉，能夠?qū)?fù)雜山體、峽谷等微地形風(fēng)場和以下?lián)舯┝鳛榇淼姆橇紤B(tài)風(fēng)場進(jìn)行三維風(fēng)速的快速測定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述工字型支撐架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述工字型支撐架的側(cè)視圖；

圖3為本發(fā)明所述工字型支撐架的俯視圖；

圖4為本發(fā)明所述風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置的使用方法的流程圖；

圖5為本發(fā)明所述風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置的制造方法流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖所示，如圖1、圖2和圖3所示，一種風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置，包括：由上、下端面和中間部構(gòu)成的工字型支撐架，所述的工字型支撐架中間部為流線型殼體3，上、下兩端面為蓋板，二者與流線型殼體3密封固定設(shè)置，其中下端面蓋板上設(shè)置有通孔，用于走線；

所述的流線型殼體3內(nèi)部固定設(shè)置有卡槽4，卡槽4內(nèi)設(shè)置有探頭安裝板2，所述的探頭安裝板2與卡槽4卡接固定；

所述的探頭安裝板2的上、下兩端部分別通過緊固螺栓5與卡槽的上、下兩端部的蓋板10分別固定；

還包括有殼體安裝板6，殼體安裝板6上方緊貼設(shè)置有水準(zhǔn)板7，水準(zhǔn)板7與殼體安裝板6緊密連接，并通過連接件8進(jìn)行鉸接，使其可繞一端轉(zhuǎn)動。

所述的探頭安裝板2上設(shè)置有刻度和多個探頭安裝孔，所述的多個探頭安裝孔上方分別設(shè)置有一個定位槽；探頭安裝孔用于固定安裝多孔探頭，所述的多孔探頭上設(shè)置有定位凸臺，所述的定位凸臺與定位槽配合設(shè)置。

所述的多孔探頭分離式多孔探頭，各孔均為貫通空腔，所述探頭的頭部形狀為錐狀或球狀，所述探頭的長度可調(diào)。

所述的水準(zhǔn)板7的側(cè)端面上設(shè)置有氣泡水平儀，所述的氣泡水平儀用于對探頭傾角的快速讀取。

一種風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置的使用方法，包括以下幾個步驟：

A：將組裝好并標(biāo)定完畢的風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置安裝在待測的空間位置上；

B：在探頭安裝板上讀取各個多孔探頭的整體偏移距離z0（即探頭安裝板(2)上的刻度）：當(dāng)探頭安裝板整體均位于卡槽內(nèi)時z0=0，此時離地面最近的一個探頭的離地高度為z1，相鄰探頭間的距離zij，其中，j=i+1；因此，各探頭的離地高度；

C：采用三角板量取水準(zhǔn)板末端與殼體安裝板的垂直距離h，根據(jù)水準(zhǔn)板的長度l，計(jì)算得到探頭的局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系的夾角，

D：根據(jù)直接由各個探頭測得的三維風(fēng)速結(jié)果換算得到整體坐標(biāo)系下該位置的三維風(fēng)速剖面。

一種風(fēng)場三維風(fēng)速測定的便捷裝置的制造方法，包括以下步驟：

步驟一：確定擬采用的多孔探頭的型號，所述多孔探頭的型號包括孔數(shù)、開孔位置、探頭頭部形狀、直徑和數(shù)目；其中，探頭的孔數(shù)一般為4孔、5孔或7孔；頭部形狀一般為錐狀或球狀；各個探頭的直徑可任意選取，但須與探頭安裝板配套。采用長度可調(diào)的分段式多孔探頭，如圖5所示，此時僅需確定探頭前段部分的形狀參數(shù)，后段套管應(yīng)制作多個長度，以便后續(xù)進(jìn)行對比選用，套管上有定位槽，防止探頭安裝好后發(fā)生轉(zhuǎn)動，同時，需保證前后兩段之間連接處的氣密性。

步驟二：根據(jù)試驗(yàn)縮尺比確定探頭安裝板的厚度，制作與探頭個數(shù)配套的探頭安裝板，并在探頭安裝板上設(shè)置刻度；探頭安裝板如圖4所示，根據(jù)關(guān)注區(qū)域的高度范圍，確定探頭安裝板的長度和安裝孔的孔位。探頭安裝孔的形狀與探頭一致，尺寸略大于探頭橫截面。安裝板的寬度不宜過大，應(yīng)與流線型殼體配套，厚度不宜過小，應(yīng)保證探頭與安裝板所在平面的垂直度。

所述步驟二中，探頭安裝板上、下部均標(biāo)有刻度，可實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)高度的整體實(shí)時調(diào)整，在不影響殼體流線型外形并保證殼體尺寸不過大的前提下，探頭安裝板的厚度不宜過薄，以保證探頭的與殼體的垂直度。所述步驟二中，板上的探頭安裝孔配有定位槽，防止探頭在安裝過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動。

步驟三：制作長度與安裝板長度相同的流線型殼體，在流線型殼體內(nèi)設(shè)置與探頭安裝板配套的卡槽，在卡槽的頂部和底部設(shè)置緊固螺栓；

所述步驟三中，殼體前部需開槽形孔，寬度由各個高度五孔探頭的尺寸所決定。在滿足多孔探頭安裝要求的基礎(chǔ)上，流線型殼體的整體體量應(yīng)盡可能小，以降低對擬測定的復(fù)雜條件風(fēng)場的干擾。殼體須采用具有一定變形性能的材料，表面需做拋光處理，使其盡可能光滑。

步驟四：在流線型殼體頂部和底部分別固定設(shè)置開了孔的殼體安裝板和水準(zhǔn)板，兩者通過連接件進(jìn)行連接，在水準(zhǔn)板上安裝氣泡水平儀，并制作配套的蓋板，保證裝置內(nèi)腔體的密閉性。由于殼體的體量較小，殼體安裝板、殼體和卡槽應(yīng)一體成形，避免復(fù)雜的組裝工作，可采用3D打印進(jìn)行制作。氣泡水平儀可直接用強(qiáng)力膠水黏在水準(zhǔn)板上，但須保證黏結(jié)的可靠性及水平儀的初始水平度。

多孔探頭為前后分段的分離式探頭，可根據(jù)后部殼體的尺寸調(diào)整探頭長度，使其足夠長，保證探頭測得的風(fēng)場不受后部殼體的干擾。

所述步驟四中，殼體安裝板的開孔深度小于其厚度，開孔形狀與殼體的橫截面相同，但是略大于其橫截面，方便蓋板的擱置和移除，水準(zhǔn)板的開孔上下貫通，開孔尺寸和形狀與殼體安裝板相同。

所述步驟四中，殼體安裝板和水準(zhǔn)板的連接件需保證兩塊板能繞連接件的安裝軸自由轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明在具體操作時，將各個多孔探頭安裝到探頭安裝板上，在多孔探頭尾部插入毛細(xì)針管，并通過硅膠管連接到壓力掃描閥上；隨后，將其整體插入殼體的卡槽中，用緊固螺栓鎖死，硅膠管從殼體的一側(cè)伸出，另一側(cè)用蓋板密封；將裝置放入邊界層風(fēng)洞中，在不同風(fēng)向角(包括水平偏角和豎向俯仰角)的來流下對其進(jìn)行標(biāo)定；將整個發(fā)明裝置安裝至需測定風(fēng)速剖面的復(fù)雜地形條件下的某個空間位置，調(diào)整水準(zhǔn)板水平，計(jì)算水準(zhǔn)板與殼體安裝板的夾角，明確多孔探頭的局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過多孔探頭的測試結(jié)果，換算得到目標(biāo)區(qū)域在整體坐標(biāo)系下的三維風(fēng)速。

上述具體實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明的使用方法，而不是對本發(fā)明的使用范圍進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和變更，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。