本發(fā)明涉及風(fēng)洞試驗，尤其涉及一種彈性尖劈裝置及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、近年來涌現(xiàn)出了一大批高海拔深切峽谷區(qū)的大跨度橋梁，由于高海拔深切峽谷區(qū)易形成大風(fēng)向角來流，對于大跨度懸索橋而言，其風(fēng)致動力響應(yīng)穩(wěn)定性變得尤為關(guān)鍵。己有研究主要針對沿海、平原地區(qū)的大跨度橋梁，其風(fēng)場條件與山區(qū)峽谷迴異，少有對高海拔峽谷區(qū)非均勻來流和大攻角下風(fēng)場特性的研究，因此亟需開展相關(guān)研究。

2、風(fēng)洞試驗作為目前國內(nèi)外研究橋梁動力穩(wěn)定性分析的最重要的研究方法之一，它既可直觀地觀察到整個試驗過程，又可在進行試驗過程中控制、改變和重復(fù)試驗條件得到橋梁工程師想要的觀察的現(xiàn)象。然而大氣邊界層內(nèi)的自然風(fēng)在時間和空間上都具有較強的隨機性，因此在進行風(fēng)洞試驗時，除了滿足幾何相似性外，還應(yīng)正確模擬橋址處大氣邊界層風(fēng)場特性。當(dāng)前，國內(nèi)外風(fēng)洞試驗?zāi)M大氣邊界層的方法主要分為被動模擬方法和主動模擬方法。其中三角形尖劈是目前采用最多的一種被動模擬方法。

3、三角形尖塔通過改變尖劈形狀能夠比較方便的模擬出不同地貌的平均風(fēng)速剖面，同時通過改變底部寬度可以很容易提高中部和下部的湍流度。但是湍流沿高度方向衰減過快，使得中上部的湍流度偏小，達不到要求，所以在湍流度剖面模擬方面就有欠缺。例如公開號為cn205138754u的中國實用新型專利，公開了通過設(shè)置擋板增大近地面湍流度。通過增加擋板可以明顯提高湍流度，但是隨著擋板數(shù)量增多和寬度增加，風(fēng)場影響會很大，給流場調(diào)試帶來較大的困難。所以目前一般采用底部擋板，適當(dāng)增加整體湍流度。雖然采用一些異形尖劈可以有所改善，但仍不能根本很好的模擬深切峽谷區(qū)的復(fù)雜湍流風(fēng)場。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的用于風(fēng)洞試驗的尖劈中上部的湍流度偏小，造成湍流剖面模擬困難，無法滿足風(fēng)洞試驗要求的問題，提供一種彈性尖劈裝置及其設(shè)計方法。

2、為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：

3、一種彈性尖劈裝置，包括底座，所述底座固定安裝有立柱，所述立柱套設(shè)有多個活動板，所述活動板通過扭轉(zhuǎn)部件與所述立柱連接，所述活動板能夠發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。

4、本發(fā)明提供的彈性尖劈裝置，可以有效模擬深切峽谷區(qū)域的湍流風(fēng)場，該裝置通過設(shè)置多個活動板，當(dāng)風(fēng)洞來流風(fēng)吹過尖劈時，活動板在來流風(fēng)作用下會存在旋渦脫落現(xiàn)象，因此活動板在扭轉(zhuǎn)部件的作用下會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，活動板的扭轉(zhuǎn)振動會加劇直流風(fēng)擾動，從而生成更復(fù)雜的湍流風(fēng)場。該裝置不僅中部和下部能夠產(chǎn)生復(fù)雜的湍流風(fēng)場，其中上部也設(shè)置有活動板，因此中上部也能產(chǎn)生較強的湍流，解決了湍流沿高度方向即自下而上快速衰減的問題，從而整個湍流度剖面都能得到較好的模擬效果。與設(shè)置大量固定擋板來增加湍流的尖劈相比，活動板對流場的影響較小，不會引入過多干擾，有利于風(fēng)場的調(diào)試。

5、可選地，彈性尖劈裝置還包括多個固定板，所述固定板與所述立柱固定連接，沿高度方向所述固定板與所述活動板交替設(shè)置，所述固定板的阻塞比沿高度遞減。

6、本發(fā)明提供的彈性尖劈裝置，固定板與活動板交替設(shè)置，可以形成復(fù)雜的氣流阻塞模式，進一步提高氣流的湍動性，當(dāng)測點較少時，例如測點數(shù)量≤3個時，固定板和活動板的復(fù)合作用，會形成各種不同尺度的渦流和湍流，提供更豐富的氣流環(huán)境進行采樣，模擬效果更好。固定板的阻塞比沿高度方向，即自下而上遞減，可產(chǎn)生近似線性的風(fēng)速剖面，更接近峽谷區(qū)的實際情況。

7、可選地，所述活動板的振動頻率fi滿足：

8、

9、式中：fi為第i個所述活動板的振動頻率，單位hz；

10、mi為第i個所述活動板的質(zhì)量，單位kg；

11、ki為第i個所述扭轉(zhuǎn)部件的剛度，單位n/m。

12、可選地，所述彈性尖劈裝置自下而上形成梯形或三角形。

13、可選地，所述扭轉(zhuǎn)部件為扭轉(zhuǎn)彈簧。

14、可選地，所述活動板向水平面的投影為t形。

15、可選地，所述活動板和所述固定板向水平面的投影均為t形。

16、一種彈性尖劈裝置設(shè)計方法，用于設(shè)計上述的一種彈性尖劈裝置，包括如下步驟：

17、s1.沿高度方向選取1，2…i個觀測點，i個觀測點距離地面高度分別為h1，h2…h(huán)i；采集各觀測點的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，確定各個觀測點風(fēng)荷載的中心主頻率f1，f2…fi；

18、s2.根據(jù)風(fēng)洞試驗的縮尺比1：u，計算在縮尺情況下各觀測點距離地面的高度hi：

19、

20、式中，hi為第i個實測觀測點的高度，單位m；

21、hi為第i個實測觀測點縮尺后的高度，單位m；

22、獲取每個所述活動板的質(zhì)量，根據(jù)下式計算第i個所述扭轉(zhuǎn)部件的剛度：

23、

24、式中：fi為第i個觀測點風(fēng)荷載的中心主頻率，單位hz；

25、mi為第i個所述活動板的質(zhì)量，單位kg；

26、ki為第i個所述扭轉(zhuǎn)部件的剛度，單位n/m。

27、本發(fā)明提供的彈性尖劈裝置設(shè)計方法，通過獲取相應(yīng)觀測點風(fēng)荷載的中心主頻率、活動板的質(zhì)量即可方便的設(shè)計扭轉(zhuǎn)部件的剛度，利用風(fēng)洞試驗的幾何相似原理，通過縮尺比進行匹配轉(zhuǎn)換，可快速確定實測點縮尺后距離地面的高度，所需參數(shù)較少，簡單實用，易于工程使用。

28、可選地，所述活動板的質(zhì)量根據(jù)所述活動板的密度和體積計算求得。

29、可選地，第i個觀測點風(fēng)荷載的中心主頻率與第i個所述活動板的振動頻率相同。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

31、1.本發(fā)明提供的彈性尖劈裝置，可以有效模擬深切峽谷區(qū)域的湍流風(fēng)場，該裝置通過設(shè)置多個活動板，當(dāng)風(fēng)洞來流風(fēng)吹過尖劈時，活動板在來流風(fēng)作用下會存在旋渦脫落現(xiàn)象，因此活動板在扭轉(zhuǎn)部件的作用下會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，活動板的扭轉(zhuǎn)振動會加劇直流風(fēng)擾動，從而生成更復(fù)雜的湍流風(fēng)場。該裝置不僅中部和下部能夠產(chǎn)生復(fù)雜的湍流風(fēng)場，其中上部也設(shè)置有活動板，因此中上部也能產(chǎn)生較強的湍流，解決了湍流沿高度方向即自下而上快速衰減的問題，從而整個湍流度剖面都能得到較好的模擬效果。與設(shè)置大量固定擋板來增加湍流的尖劈相比，活動板對流場的影響較小，不會引入過多干擾，有利于風(fēng)場的調(diào)試。

32、2.本發(fā)明提供的彈性尖劈裝置，固定板與活動板交替設(shè)置，可以形成復(fù)雜的氣流阻塞模式，進一步提高氣流的湍動性，當(dāng)測點較少時，例如測點數(shù)量≤3個時，固定板和活動板的復(fù)合作用，會形成各種不同尺度的渦流和湍流，提供更豐富的氣流環(huán)境進行采樣，模擬效果更好。固定板的阻塞比沿高度方向，即自下而上遞減，可產(chǎn)生近似線性的風(fēng)速剖面，更接近峽谷區(qū)的實際情況。

33、3.本發(fā)明提供的彈性尖劈裝置設(shè)計方法，通過獲取相應(yīng)觀測點風(fēng)荷載的中心主頻率、活動板的質(zhì)量即可方便的設(shè)計扭轉(zhuǎn)部件的剛度，利用風(fēng)洞試驗的幾何相似原理，通過縮尺比進行匹配轉(zhuǎn)換，可快速確定實測點縮尺后距離地面的高度，所需參數(shù)較少，簡單實用，易于工程使用。

技術(shù)特征：

1.一種彈性尖劈裝置，其特征在于，包括底座(1)，所述底座(1)固定安裝有立柱(2)，所述立柱(2)套設(shè)有多個活動板(3)，所述活動板(3)通過扭轉(zhuǎn)部件(4)與所述立柱(2)連接，所述活動板(3)能夠發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彈性尖劈裝置，其特征在于，還包括多個固定板(5)，所述固定板(5)與所述立柱(2)固定連接，沿高度方向所述固定板(5)與所述活動板(3)交替設(shè)置，所述固定板(5)的阻塞比沿高度遞減。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的一種彈性尖劈裝置，其特征在于，所述活動板(3)的振動頻率fi滿足：

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2任一所述的一種彈性尖劈裝置，其特征在于，所述彈性尖劈裝置自下而上形成梯形或三角形。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彈性尖劈裝置，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)部件(4)為扭轉(zhuǎn)彈簧。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種彈性尖劈裝置，其特征在于，所述活動板(3)向水平面的投影為t形。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種彈性尖劈裝置，其特征在于，所述活動板(3)和所述固定板(5)向水平面的投影均為t形。

8.一種彈性尖劈裝置設(shè)計方法，其特征在于，用于設(shè)計如權(quán)利要求1-7任一所述的一種彈性尖劈裝置，包括如下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種彈性尖劈裝置設(shè)計方法，其特征在于，所述活動板(3)的質(zhì)量根據(jù)所述活動板(3)的密度和體積計算求得。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種彈性尖劈裝置設(shè)計方法，其特征在于，第i個觀測點風(fēng)荷載的中心主頻率與第i個所述活動板(3)的振動頻率相同。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種彈性尖劈裝置及其設(shè)計方法，其中彈性尖劈裝置包括底座，所述底座固定安裝有立柱，所述立柱套設(shè)有多個活動板，所述活動板通過扭轉(zhuǎn)部件與所述立柱連接，所述活動板能夠發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動。該裝置通過設(shè)置多個活動板，當(dāng)風(fēng)洞來流風(fēng)吹過尖劈時，活動板在扭轉(zhuǎn)部件的作用下會發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，加劇直流風(fēng)擾動，從而生成更復(fù)雜的湍流風(fēng)場。該裝置中上部也能產(chǎn)生較強的湍流，解決了湍流沿高度方向即自下而上快速衰減的問題。與設(shè)置大量固定擋板來增加湍流的尖劈相比，活動板對流場的影響較小，不會引入過多干擾，有利于風(fēng)場的調(diào)試。

技術(shù)研發(fā)人員：王文熙,何旭輝,文強,張筱雨,項正良
受保護的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/31