具有內外腔的閉式循環的風洞系統的製作方法

2023-05-29 06:11:36

專利名稱：具有內外腔的閉式循環的風洞系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於運動娛樂的風洞，尤其涉及具有內外腔的閉式循環的風洞系統。
背景技術：
風洞是能人工產生和控制氣流的實驗設備，用於空氣動力學方面的研發。垂直風洞可以產生垂直向上的氣流，主要用於航空器研發、跳傘模擬訓練。上世紀九十年代以來， 隨著極限運動的興起，跳傘模擬訓練開始演化成一種新型的體育娛樂運動利用垂直風洞產生的豎直方向的氣流平衡人體重力達到飛翔的目的，實現人體空中自由飛行，利用現代高科技給普通大眾帶來空中極限運動的體驗。用於體育娛樂的垂直風洞，因此又稱為娛樂風洞。進入二十一世紀，這項體育娛樂運動在全世界範圍內迅速興起，投資建設的娛樂風洞項目也迅速增加。

傳統的風洞採用氣流大回合循環的方式來實現。在考察了相關娛樂風洞製造商的產品或工程後，我們發現現有的娛樂風洞普遍存在問題投資成本高，基本上超過數千萬元；施工周期長，基本上需要12個月以上。因此，開發新型的、經濟的、安裝迅速的娛樂風洞成為市場的需求。

發明內容
針對上述現有技術中存在的問題，本發明的一個目的是提供一種總佔地面積較小的風洞系統。本發明的另一個目的是提供一種具有新型動力系統的風洞系統。本發明的再一個目的是提供一種能夠快速安裝的風洞系統。本發明的再一個目的是提供一種具有多個飛行艙的風洞系統。為實現本發明的目的，依照本發明的一個方面，提供了一種閉式循環的風洞系統， 包括閉式氣流循環系統，它包括內腔和包圍內腔的外腔，其中外腔在其兩端與內腔相連通；動力系統，用於提供動力，使氣體在閉式氣流循環系統中循環。上述閉式循環的風洞系統可以是垂直風洞系統，內腔為氣流上升流動區，外腔為氣流下降流動區。上述閉式循環的風洞系統，其動力系統可以包括多個動力子系統，每個動力子系統可以根據動力需要被設置在外腔內的不同位置。上述閉式循環的風洞系統，其動力子系統中的至少一個可以被設置在外腔的中部，並且動力子系統中的至少一個可以被設置在外腔的一端。上述閉式循環的風洞系統，其內腔可以包括至少一個收縮整流段和至少一個飛行艙。
上述閉式循環的風洞系統，其外腔可以設置有進氣門或進氣窗，用於通過增壓方式增加氣流循環系統內的氣體密度。上述閉式循環的風洞系統，在其一端可以設有第一迴風裝置，引導內腔的氣流轉入外腔，並且在其另一端可以設有第二迴風裝置，引導外腔的氣流轉入內腔。上述閉式循環的風洞系統，其內腔可以由橫截面為圓形或多邊形的內腔壁限定， 且其外腔可以由內腔壁和橫截面為圓形或多邊形的外腔壁限定。上述閉式循環的風洞系統，其外腔的截面面積與內腔的截面面積之比較佳地大於 2。上述閉式循環的風洞系統，其閉式氣流循環系統可以包括主體結構，該主體結構可以是筒狀的框架結構，由多根短杆拼接而成，或者由至少一根長杆和多根短杆拼接而成。 其中，筒狀的框架結構的內側可以用於覆蓋內腔壁，且外側可以用於覆蓋外腔壁。上述閉式循環的風洞系統，其主體結構可以包括沿該主體結構的橫截面的周邊重複、或者沿該主體結構的縱向重複的多個單元結構。

上述閉式循環的風洞系統，其中每個單元結構可以是橫截面為梯形、扇環、矩形、 六邊形或其它多邊形的柱體結構。上述閉式循環的風洞系統，其中每個單元結構可以是由12根短杆拼接而成的橫截面為梯形的垂直柱體。上述閉式循環的風洞系統，還可以包括氣密通道，其連通內腔壁和外腔壁，供人從風洞系統外進入內腔中的飛行艙；氣密門，設置在氣密通道與外腔壁和內腔壁的連接處。上述閉式循環的風洞系統，其中氣密通道可以被固定在單元結構內。


圖1為依照本發明一實施例的閉式氣流循環系統的正視示意圖；圖2為依照本發明實施例的閉式氣流循環系統的俯視示意圖；圖3為依照本發明一實施例的動力子系統的安置示意圖；圖4為依照本發明一實施例的用於構造閉式氣流循環系統的基本構件、組合構件、單元結構和主體結構的示意圖；圖5為依照本發明一實施例的具有多重飛行艙的風洞的結構示意圖；以及圖6為依照本發明一實施例的內外腔氣密通道的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明所提供的娛樂風洞的具體實施作進一步的說明。在所有附圖中，用相同或相似的標號表示相同或相似的部件。圖1為依照本發明一實施例的閉式氣流循環系統的正視示意圖。在該實施例中， 本發明的風洞的閉式氣流循環系統包括緊密相連的內腔1與外腔2，其中外腔2包圍內腔1 並在其兩端與外腔相連通，形成一個閉式的氣流可循環流動的結構。在動力系統的氣流推動下，本系統的內腔1為相對地面的氣體上升流動區，其外腔2為相對地面的氣體下降流動區。氣流沿內腔1向上經過系統的上迴風段裝置4流向外腔2，再沿外腔2向下經過系統的下迴風段裝置5重新進入內腔1，從而形成氣流的閉式循環流動。
圖2示出了依照本發明實施例的閉式氣流循環系統的俯視示意圖。在本發明一實施例中，內、外腔的結構是由一組嵌套同心圓結構的內、外腔壁限定的如圖2所示，內圓是內腔壁，其內部為內腔1 ；外圓是外腔壁，內圓與外圓之間的部分為外腔2。在本發明的另一實施例中，內、外腔壁採用了多邊形結構。當然，本領域技術人員應該理解，在本發明中， 風洞內、外腔壁的橫截面可以採用各種形狀，例如附圖2中的圓形、多邊形，並且可以採用同心結構或非同心結構，或者採用相同形狀的組合或不同形狀的組合，例如圓形內腔壁與多邊形外腔壁的組合。本發明在這一方面不受限制。在較佳實施中，內、外腔壁可以採用同心圓結構，也可以採用同心正多邊形，如正8、10、12邊形，這樣在選材與安裝上可以大大降低成本費用，也可以為模塊化設計提供基本條件。此外，根據空氣動力學的計算，外腔的橫截面面積與內腔的橫截面面積之比較佳地大於2。與傳統的風洞大回合循環的方式截然不同，本發明的風洞結構非常緊湊，能夠有效地節省風洞的佔地面積，為娛樂風洞的商業推廣帶來極大的好處。 風洞的動力裝置在風洞系統的地位非常重要，直接關係到風洞的建設造價、運行效率以及運行維護成本。傳統的風洞大多採用單一的大功率電機，功率基本上大於1000KW， 建安造價高，營運成本大，商業運轉比較困難，這也是制約娛樂風洞市場推廣的主要原因之一。本發明的風洞採用多個動力子系統，即將風洞所需的動力總功率分解為多個小功率的動力子系統。在本發明一實施例中，動力子系統是包括動力模塊的一體式、模塊化動力子系統，可以由電機和航空推進器構成。在一實施例中，採用多個70至120KW的高效電機，配以高效航空推進器，組成多個一體式的模塊化動力子系統3。這些動力子系統3的外形幾何尺寸可以控制在2*2*2米之內。如圖3所示，可以根據風洞內腔的風速要求，也可以根據功率與功能的需求確定所需動力子系統3的數量，並可將這些動力子系統3設置在本發明的風洞外腔2內的任何位置，例如可以安置在外腔2的中部或底部。較佳地，本發明的動力系統可以包括6-12個分散在外腔內的動力子系統。若將動力子系統3設置在本發明的風洞外腔的中部，動力推進氣流的方向垂直朝下；若將動力子系統3設置在本發明的風洞外腔的底部，動力推進氣流的方向平行地面並導向內腔。這種風洞的動力系統設計靈活自由，可以完全解決由於噪音或結構支撐等因素給風洞設計帶來的問題現有風洞的電機系統大多採用一個大功率電機，並安置在風洞的頂部，而大功率電機的重量大多超過幾噸甚至幾十噸， 這對風洞的支撐結構要求比較高，本發明將大功率的電機分解為多個小功率的電機，使得風洞的整體結構分布均勻穩定；同時，本發明的動力子系統完全處於風洞的外腔2內，風洞氣流運動產生的噪音完全被阻隔在內腔1與外腔2的循環空間中，使得風洞外部的環境噪音大大降低，這與歐美一些開放式的娛樂風洞相比環境友好程度要高許多。在一實施例中， 我們製造了總功率達900KW的風洞，採用10組90KW的動力子系統放置在外腔的底部，內腔直徑約4米。在本發明一實施例中，可以採用類似晶體結構的主體結構，以實現獨特的風洞結構。類似晶體結構的主體結構在整體上呈現為筒狀的框架結構，其中包括多個類似晶體單元的單元結構。較佳地，單元結構可以沿筒狀主體結構橫截面的周邊重複，或者可以沿筒狀主體結構的縱向重複。晶體單元結構可以呈現為各種結構，例如柱體結構、四面體結構等等。此外，在採用柱體單元結構的實施例中，每個單元結構可以具有各種橫截面形狀，例如梯形、扇環、矩形、六邊形或其它多邊形等。
在本發明一實施例中，類似晶體結構的主體結構可以由多個基本構件組合而成， 例如可以由多根短杆拼接而成，或者可以由適當數量的長杆和短杆拼接而成。在拼接過程中，可以將基本構件直接拼接成主體結構的框架；或者，可以先將基本構件組合成單元結構，然後採用類似搭積木的方式將多個單元結構拼接成主體結構。圖4為依照本發明一實施例的用於構造閉式氣流循環結構的基本構件10、組合構件12、單元結構14和主體結構16的示意圖。在如圖4所示的實施例中，採用短杆作為基本構件10。在本發明一實施例中，可以採用基本構件10直接拼接成主體結構16。例如，採用三根短杆10拼接成組合構件12，繼續進行拼接可以形成單元結構14。然後，可以沿主體結構橫截面的周邊以及沿主體結構的縱向，在單元結構14的基礎上用短杆10外延地進行拼接，得到包括多個單元結構14的主體結構16。在本發明另一實施例中，可以先用基本構件 10拼接成單元結構14，然後採用類似搭積木的方式將多個單獨形成的單元結構14拼接成主體結構16。例如，採用三根短杆10拼接成組合構件12，繼續對組合構件12進行拼接可以形成單元結構14。重複這一過程可以得到多個單元結構14，然後可以沿主體結構橫截面的周邊以及沿主體結構的縱向，採用類似搭積木的方式對已經獨立形成的多個單元結構14 加以堆疊以形成主體結構16。對基本構件10、組合構件12、單元結構14的拼接可以採用焊接、螺母固定等等各種方式。基本構件10 (在本實施例中是短杆)可以由金屬或FRP等材料製成。如圖4所示，組合構件12可以由三根短杆10構成，每個單元結構14由4個組合構件12(即12根短杆)組成。在本發明一實施例中，組合構件12的豎直短杆垂直於另兩個水平短杆，並且單元結構14是橫截面為梯形的垂直柱體結構。在本發明的另一實施例中，單元結構14可以是橫截面為扇環的柱體結構，由8根直短杆和4根弧形短杆形成。對這樣的單元結構進行拼接，可以得到圓筒狀的主體結構。在本發明的較佳實施例中，每個組合構件的幾何尺寸長寬高可以控制在2米以內。在本發明的另一實施例中，主體結構16可以由長杆和短杆的組合構成。例如，採用多根長杆形成如圖4所示的主體結構16的豎直長邊，然後用短杆形成該主體結構16的短邊，從而拼接成主體結構16。在本發明一實施例中，風洞中除了主體結構以外的其他部件均可嵌入到單元結構 14中，如動力子系統3、上迴風段裝置4、下迴風段裝置5等都可以通過預製埋件或螺栓緊固到單元結構14上。在本發明一實施例中，在主體結構16的內側，覆以表面材料如玻璃、 PC板或其他板材，形成風洞的內腔壁，從而限定內腔1 ；類似地，主體結構16的外側覆以表面材料如玻璃、PC板或其他板材，形成風洞的外腔壁，主體結構的內外側之間就成為風洞的外腔2。本發明的單元化主體結構設計，可將整個系統分解成許多基本構件，這樣的設計利於批量製造和快速安裝，這也是本發明的重要的價值所在。本發明的風洞的內腔部分可以根據風洞設計需求，設置收縮整流段、飛行艙(即， 運動娛樂段)等工作段，也可以重複設置多個工作段，例如本系統可以提供兩個或兩個以上的飛行艙。收縮整流段是指該部分的內腔1的由下往上向內收縮，在最小收縮處連接整流裝置。如附圖5，在一實施例中，我們在風洞的內腔中由下往上(相對地面)設置下收縮整流段61、下飛行艙71、上收縮整流段62、上飛行艙72等四個區域。在上壓縮整流段區域 61和下收縮整流段區域62中，內腔壁各自按一定比例向上收縮。較佳地，收縮導風段的始末橫截面的直徑比例大於約1. 2，具體的收縮比例可以根據內腔的風速要求運用空氣動力學方法求得。內腔的收縮整流段最好要保持流線形以減少氣流高速通過產生湍流現象。整流裝置可以採用常規的蜂窩式的整流板，整流板的厚度宜為約60-150釐米，材質可以選用金屬或FRP隔柵。上下飛行艙的橫截面的直徑比例較佳地小於0.8。當然，若動力系統充分，可以設計具有三個或以上的飛行艙的風洞體系。由於本發明的風洞在同一的動力系統的供應下，可提供二個或以上的飛行艙，為商業運營提供更大的利潤空間。在一實施例中，本發明在風洞外腔部分設置了進氣門或窗，通過增壓方式使得本系統內的氣體密度增加。在一實施例中，本發明的風洞還設置了氣密通道8，人可以通過氣密通道穿過外腔 2進入內腔1內的飛行艙。如附圖6所示，氣密通道8連接外腔壁與內腔壁，通道的寬度約在60-100釐米之間，高度約在180-200釐米之間。氣密通道8在外腔壁與內腔壁的連接處各設置氣密門，關上這兩扇氣密門，整個通道為密閉空間。為了減少氣密通道8對外腔高速氣流的阻力，可以將氣密通道8的上下兩段設計為圓弧形，使得整個氣密通道呈膠囊狀，並嵌入在風洞的外腔2內。例如，可以將這氣密通道嵌入在一個單元結構14中。儘管以上描述了本發明的較佳實施例，但本發明不僅限於此。本領域的普通技術人員可以在以上描述的基礎上進行各種變化和改變。不脫離本發明精神的各種改變和變化都應落在本發明的保護範圍之內。本發明的保護範圍由後附的權利 要求書來限定。
權利要求
1.一種閉式循環的風洞系統，其特徵在於，所述風洞系統包括閉式氣流循環系統，它包括內腔和包圍所述內腔的外腔，其中所述外腔在其兩端與所述內腔相連通；動力系統，用於提供動力，使氣體在所述閉式氣流循環系統中循環。
2.如權利要求1所述的風洞系統，其特徵在於，所述風洞系統是垂直風洞系統，所述內腔為氣流上升流動區，所述外腔為氣流下降流動區。
3.如權利要求1或2所述的風洞系統，其特徵在於，所述動力系統包括多個動力子系統，每個動力子系統根據動力需要被設置在所述外腔內的不同位置。
4.如權利要求1或2所述的風洞系統，其特徵在於，所述內腔包括至少一個收縮整流段和至少一個飛行艙。
5.如權利要求1所述的風洞系統，其特徵在於，所述內腔由橫截面為圓形或多邊形的內腔壁限定，且所述外腔由所述內腔壁和橫截面為圓形或多邊形的外腔壁限定。
6.如權利要求5所述的風洞系統，其特徵在於，所述閉式氣流循環系統包括主體結構，所述主體結構是筒狀的框架結構，由多根短杆拼接而成，或者由至少一根長杆和多根短杆拼接而成，其中所述筒狀的框架結構的內側用於覆蓋內腔壁，且外側用於覆蓋外腔壁。
7.如權利要求6所述的風洞系統，其特徵在於，所述主體結構包括沿所述主體結構的橫截面的周邊重複、或者沿所述主體結構的縱向重複的多個單元結構。
8.如權利要求7所述的風洞系統，其特徵在於，每個所述單元結構是橫截面為梯形、扇環、矩形、六邊形或其它多邊形的柱體結構。
9.如權利要求7所述的風洞系統，其特徵在於，每個所述單元結構是由12根短杆拼接而成的橫截面為梯形的垂直柱體。
10.如權利要求7中所述的風洞系統，其特徵在於，還包括氣密通道，其連通所述內腔壁和所述外腔壁，供人從所述風洞系統外進入所述內腔中的飛行艙；和氣密門，設置在所述氣密通道與所述外腔壁和所述內腔壁的連接處。
全文摘要
一種具有內外腔的閉式循環的風洞系統，包括閉式氣流循環系統，它包括內腔和包圍所述內腔的外腔，其中外腔在其兩端與內腔相連通；動力系統，用於提供動力，使氣體在閉式氣流循環系統中循環。
文檔編號G01M9/02GK102213638SQ20101014262
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者王仲年 申請人:上海創潤風能科技有限公司