一種可適應野外起伏地形的便攜式環(huán)境風洞的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于研究風對生態(tài)過程影響的便攜式風洞設備。具體的說是一種可用于監(jiān)測野外風蝕狀況、風沙運動過程及植物種子、花粉、害蟲幼蟲的風力傳播過程和風對植物生理生態(tài)過程的影響以及合理設計農(nóng)田防護林等的可移動式風洞。
【背景技術】
[0002]風洞已經(jīng)普遍用于生態(tài)環(huán)境問題的研究中，如地表風蝕、風沙流運動過程等。自20世紀50年代至今，美國、前蘇聯(lián)、澳大利亞、加拿大等國家相繼建起了 20多座不同類型的移動便攜風洞。在我國，中國科學院蘭州沙漠研究所在20世紀60年代建成了室內(nèi)風沙環(huán)境風洞，中國科學院旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境與工程研究所、中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學、中國農(nóng)業(yè)大學等也建設了便攜式風洞。其中中國科學院旱區(qū)寒區(qū)環(huán)境工程研究所的便攜式風洞(專利號:201110132573.6)是在克服了國內(nèi)其它風洞的缺點與不足建成的較先進的風洞，其具有動力段中心軸線與實驗段中心軸線平齊、風洞內(nèi)無導流葉柵、擴散和收縮段不對稱等特點，增強了實驗段氣流的均勻性和穩(wěn)定度。但是，其仍然存在以下幾個問題:首先，風洞實驗段由若干段已經(jīng)建成的部分構成，實驗段之間用法蘭連接，故其只能在地勢平坦的地區(qū)進行風蝕研究，風洞不能放置于地勢起伏的地形條件下；其次，實驗段截面積小，除了用于風蝕以及風沙物理的研究外，在研究其它生態(tài)學過程的時候，其實驗段內(nèi)的邊界層厚度不能滿足實驗需要。
[0003]綜上所述，目前國內(nèi)外風洞野外作業(yè)還存在實驗段不能真正適應野外起伏地形、實驗段截面積小等缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對目前國內(nèi)外便攜式風洞的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種可移動便攜式大斷面野外環(huán)境風洞。利用實驗段的巧妙設計，能使風洞在野外有較大起伏的地形條件下開展實驗。利用可移動便攜式風洞，可在風洞中模擬一個獨立和可控的自然風條件，又可在野外天然地表上快速而有效地進行環(huán)境生態(tài)實驗。
[0005]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0006]一種可適應野外起伏地形的便攜式環(huán)境風洞，風洞為直流吹氣式，依次由入口段、動力段、圓形變矩形過渡段、收縮段、整流段、實驗段組成，其結構特點在于:動力段、圓形變矩形過渡段、收縮段和整流段組裝在一起形成風洞首部，并加裝了電動起落架、行走輪和牽引裝置，便于首部的野外轉(zhuǎn)移；實驗段由2種lm*2m的規(guī)格相同的標準件組成，標準件之間用一種拆裝便利的彈性卡子連接，連接處粘貼有密封條；入口段為矩形結構，外端呈外翻喇叭口，且入口處安裝有格柵以阻擋雜物的吸入；動力段由3mm厚鋼板制成，其內(nèi)放置了四臺軸線平行的軸流變頻風機，并分前后兩兩錯開，電機依次外接變頻器和柴油發(fā)電機組，風機的出口處設置了環(huán)形平行的導流片；風機出口和收縮段之間設有由5mm厚鋼板構成的圓形變矩形的過渡段，在收縮段的末端設有整流段，整流段內(nèi)設有蜂窩器；實驗段為無底倒扣“η”形方筒，其中頂部和一側用Imm厚的鐵皮和3cm*3cm的方形鋼管框架構成的標準件組成，另一側用5mm厚的鋼化玻璃和3cm*3cm的方形鋼管框架構成的標準件組成，標準件的底部安裝有密封帆布條，用于試驗段在野外起伏不平坦地形條件下的密封；在野外作業(yè)條件下，風洞首部與實驗段的中心均處在相對同一高度的水平軸線上，且動力段、圓形變矩形過渡段、收縮段、整流段的底部與實驗段內(nèi)的地面相對平齊。
[0007]上述變頻調(diào)速風機的調(diào)速范圍為O-1Sms'所述卡子由具有一定強度和彈性的鋼筋外卡和內(nèi)卡組成，內(nèi)卡先折成一端開口的矩形、后再折成“U”形結構；外卡先折成封閉矩形、后再折成“Z”形結構；且設置在內(nèi)卡兩個開口端的軸孔與設置在外卡一折彎處的對稱軸孔通過固定軸連接在一起。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點和產(chǎn)生的有益效果是:
[0009]1、本發(fā)明的動力段由4臺軸線平行的軸流變頻風機構成。這樣的設計與一臺風機相比，除了在達到相同風速下能夠降低每臺風機的功率外，更重要的是，增加了動力段進氣的穩(wěn)定性。與僅有一臺風機提供動力的風洞相比，在相同的進風量下，降低了每臺風機的功率，降低了電機啟動時對發(fā)電機的壓力。4臺風機對稱排列，每臺風機的進風在風機出風口進行了混合，相互抵消了部分擾流，較一臺風機而言，可以用更短的整流段實現(xiàn)氣流的穩(wěn)定性。
[0010]2、動力段安裝有電動起落架，可保證無論在何種地形條件下，動力段、圓形到矩形過渡段、收縮段、整流段的底部都能跟實驗段的底部平齊，風洞的整體軸線都保持一致。因此在任何地形條件下，氣流都能通過收縮段和整流段后能夠非常平順地進入實驗段，流場更加穩(wěn)定均勻。
[0011]3、風洞首部安裝有行走系統(tǒng)和牽引裝置，風洞可以方便地被牽引到諸如流動沙丘等具有較大起伏地形的環(huán)境中進行野外實驗。
[0012]4、實驗段可以根據(jù)地勢的起伏方便調(diào)整，能夠在起伏較大的地形條件下進行野外實驗。風洞試驗段由尺寸相同的標準件組成，相互之間用一種方便拆裝的彈性卡子連接，能夠快速的拆裝，并且能夠根據(jù)地勢起伏做出調(diào)整，以達到野外實驗的要求。
[0013]5、風洞流場均勻穩(wěn)定，結構輕便耐用；由于首部安裝有行走系統(tǒng)和牽引裝置以及各試驗段用卡子連接，因而搬運和拆裝非常方便、省時。
[0014]本發(fā)明從風洞設計和野外實驗兩方面證實了該風洞試驗段風速具有縱向和橫向的穩(wěn)定性，風洞具有穩(wěn)定的氣流場，風速廓線為對數(shù)分布，符合自然大氣邊界層近地面層的風速特征。本發(fā)明的研制成功不僅在流體力學、空氣動力學、沙漠學、地貌學的野外實驗中具有重要作用，而且在環(huán)境保護、生態(tài)恢復、道路、農(nóng)田的防沙治沙和風雪研究領域具有廣泛的應用前景。為今后便攜式風洞的設計提供一定的實踐經(jīng)驗和理論參考，具有一定的學術價值，對于我國防治風蝕沙漠化和沙塵暴、風對植物生理生態(tài)影響過程均具有較大的實際和理論意義。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明結構示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明在起伏地形下的安裝示意圖；
[0017]圖3為風洞首部結構示意圖；
[0018]圖4為風洞動力段風機排布示意圖；
[0019]圖5為導流片結構不意圖；
[0020]圖6為蜂窩器結構示意圖；
[0021]圖7為實驗段標準元件的框架示意圖；
[0022]圖8為連接風洞實驗段的卡子示意圖，其中:(a)正視圖，(b)左視圖，(C)俯視圖；
[0023]圖9為實驗段內(nèi)距離整流段出口 10米處截面中心風速與風機頻率之間的關系圖；
[0024]圖10為實驗段內(nèi)截面中心點風速沿風洞軸線變化特征圖；
[0025]圖11為實驗段內(nèi)距離整流段出口 10米處截面中心風速與風機頻率之間的關系圖；
[0026]圖12為實驗段內(nèi)距離整流段出口 10米處截面中心點氣流穩(wěn)定性隨風速變化特征圖；
[0027]圖13為實驗段內(nèi)距離整流段出口 10米處底板邊界層厚度隨中心風速變化特征圖；
[0028]圖14為實驗段內(nèi)距離整流段出口 10米處側壁平均風速廓線圖；
[0029]圖15為實驗段內(nèi)距離整流段出口 10米處截面氣流不均勻度圖；
[0030]圖16為實驗段內(nèi)距離整流段出口 10米處截面氣流紊流度隨風速變化圖。
【具體實施方式】
[0031]下面，結合附圖，對本發(fā)明的技術方案再作進一步的說明:
[0032]如圖1、2所示，一種可適應野外起伏地形的便攜式環(huán)境風洞，風洞為直流吹氣式，依次由入口段1、動力段2、圓形變矩形過渡段3、收縮段4、整流段5、實驗段6組成，其結構特點在于:動力段2、圓形變矩形過渡段3、收縮段4和整流段5組裝在一起形成風洞首部(見圖3)，并加裝了電動起落架9、行走輪8和牽引裝置7，便于首部的野外轉(zhuǎn)移。實驗段6由2種lm*2m的規(guī)格相同的標準件(見圖7)組成，標準件之間用一種拆裝便利的彈性鋼筋卡子10連接(見圖8),卡子10由外卡al、內(nèi)卡a2和一根固定軸a3構成，內(nèi)卡a2先折成一端開口的矩形、后再折成“U”形結構；外卡al先折成封閉矩形、后再折成“Z”形結構；且設置在內(nèi)卡a2兩個開口端的軸孔與設置在外卡al —折彎處的對稱軸孔通過固定軸a3連接在一起；卡子10的緊固力主要由內(nèi)卡a2的彈力提供，方便拆裝主要靠外卡al形成以固定軸a3為支點的杠桿作用而實現(xiàn)(見圖8)，每一節(jié)實驗段在風洞頂部連接處用一個帶頂絲的大號卡子加固，標準件連接處粘貼有密封條。入口段I為矩形結構，外端呈外翻喇叭口，且入口處安裝有格柵以阻擋雜物的吸入；動力段2由3_厚鋼板制成，其內(nèi)放置了四臺軸線平行的軸流變頻風機(見圖4)，并分前后兩兩錯開，其中1、III號風機靠前，進風口在同一平面上，I1、IV號風機靠后，進風口在同一平面上。電機依次外接變頻器和柴油發(fā)電機組，風機的出口處設置了環(huán)形平行的導流片(見圖5);風機出口和收縮段4之間設有由5mm厚鋼板采用鈑金和焊接工藝構成的圓形變矩形的過渡段3，完成四臺風機的出風口的圓形向收縮段4的方形入口的過渡。在收縮段4的末端設有整流段5，整流段5