再循環豎直風洞跳傘模擬器以及用於風洞和其他場所的減阻纜繩的製作方法

2023-05-20 10:10:56

專利名稱：再循環豎直風洞跳傘模擬器以及用於風洞和其他場所的減阻纜繩的製作方法
技術領域：
本申請涉及豎直風洞領域，更具體地說涉及用作跳傘模擬器和娛樂裝置的溫控回流豎直風洞。
背景技術：
風洞在現有技術中眾所周知。可以根據用戶的需要獲得許多類型和型式的風洞。這些風洞包括具有和不具有回流的亞音速風洞、具有和不具有回流的跨音速風洞、具有和不具有回流的豎直亞音速風洞、具有和不具有回流的超音速和特超音速風洞、以及可壓縮流動風洞。
大多數風洞被用於研究和測試目的。這些包括常規飛行器、直升機、降落傘以及其他空氣動力裝置、翼表面、控制表面、潛水艇、火箭以及其他運載工具、陸地車輛、建築物的測試以及其他基本流動試驗。
水平風洞(空氣在風洞的全速段基本上水平流動的風洞)被用於空氣動力學研究和測試，並且由通常從事重點防禦的公司、聯邦政府、或者教育機構和大學所掌握。其中的一些已經被轉換為或適於豎直操作(其中空氣在風洞的全速段基本上豎直流動的風洞)，但它們中的大多數或全部在那方面的作用很差。
對被用於模擬自由下落的豎直風洞施加的設計限制與水平測試風洞不同。在豎直風洞/自由下落模擬器中，重要的是在風洞全速段的物體(在本申請中是飛行中的人)能夠在所述段內四處移動，以經歷或經歷人體飛行。水平測試風洞中，在風洞中放置的物體通常是可被其他人觀察或測量的靜態物體。出於這一原因，水平風洞的這一最快部分被稱為「測試段」。在豎直風洞中，這一相同區域又被稱為「飛行腔」。
在豎直風洞中，重要的是可以在不停止氣流的情況下使風洞內飛行的人旋轉到飛行艙內和旋轉出飛行艙。相比之下，操作過程中幾乎不需要在水平風洞的測試段移動靜態物體。此外，由於豎直風洞內的飛行者在飛行艙內自由四處移動，因此必須將它們的移動限定在系統的適當部分。
儘管可以在飛行艙的上遊端和下遊端都放置安全網，但這樣產生巨大的阻力，從而形成噪聲並增加獲得任意給定速度所需的功率。實際上，這樣一對網可以消耗的功率達到操作所述風洞所需的總功率的30％-50％。
在飛行艙的底端或上遊端設置纜繩編織網格以作為乘坐者不飛行時的站立平臺也是有益的。這種「纜繩底面」為飛行艙內的安全工作人員或指導人員提供了方便的工作平臺。
因此，處於以上安全和可用性原因，需要使纜繩底面/安全網可以由給定強度和直徑的具有最低空氣動力學阻力的纜繩製成。除了風洞之外，還有許多應用場合採用穿過空氣移動的纜繩或者流過纜繩的空氣，其中簡單且廉價的減阻纜繩可以具有很大的益處。
具有平的或翼型橫截面的低阻纜繩在本領域是已知的，並且在航空工業中頻繁使用。然而，這些纜繩不適用於豎直風洞的編織纜繩底面，因為難以保持所述纜繩相對於氣流進行準確定位。此外，這種平的或翼型纜繩的下遊端是尖的。由於落在纜繩底面/安全網上的人將降落在該下遊端上，因此這種類型的纜繩用在所述應用中是不安全的。出於類似的定位、穩定性、成本或潛在損傷的原因，現有技術中的翼型纜繩不能用於需要低阻纜繩的一些其他類型的應用中。
同樣重要的是，需要防止乘坐者橫向飛到空氣柱外並且未得到支撐地向下落向底面。出於這一原因，最先進的豎直風洞被設計成使得空氣柱從飛行艙的一個壁完全延伸到另一個壁。這在水平風洞中是不必要的。
用於模擬自由下落的豎直風洞經常必須在噪聲敏感環境例如遊樂園和購物中心中進行操作。水平測試的風洞可以遠離人群，在那裡它們可以任意製造所需的噪聲。
作為娛樂裝置，自由下落模擬器必須在價格上與其他娛樂設備競爭，並且經常接近頻繁地被操作。這兩個因素使能量效率對自由下落模擬器的成功商業運作很關鍵。能量效率對水平測試的風洞不太重要；在水平測試的風洞中，可以花費幾小時和幾天構建試驗臺，並隨後為了採集所需數據僅運行風洞幾分鐘。
高度是自由下落模擬器的主要限制，該自由下落模擬器直立並且經常必須定位在具有嚴格高度限制的高密度娛樂場所。這種情況在水平測試的風洞上不存在，該水平測試的風洞側立並且成功地遠離任何人群。
最後，沒有任何已知的現有技術致力於設計這些系統，以優化高密度娛樂場所中公眾的可視性。
為了使商業上可行的豎直風洞用於跳傘模擬，必須使得(1)移動足量空氣並足夠平穩地移動空氣，以充分模擬一個或多個人在飛行艙內的自由下落；(2)具有足夠短且足夠安靜以位於往往存在大量潛在用戶的地方的裝置；以及(3)功率消耗水平足夠低以使體驗價格為公眾所接受。
滿足這些競爭要求的發明難題可通過本發明的裝置來解決。在飛行艙內需要高氣流速度以使一個或多個人浮動。然而，使空氣高速移動穿過通風管道形成了大量的噪聲和熱並且需要較大功率。因此，大多現代的風洞擴大並適當地使飛行艙下遊的空氣變慢以降低功率消耗、噪聲輸出以及熱產生。這樣做可以降低功率超過60％，並且僅通過這種方式豎直風洞作為娛樂裝置或跳傘模擬器在商業上變得可行。
然而，如果使風洞的任何段上的氣流擴大太快，則流動將「分離」並且變為紊流而不是層流。這將使整個系統性能變差，從而增加功率消耗並降低流動質量直到所述裝置不能充分模擬真實自由下落的程度。在擴大的管道中發生流動分離的臨界點在文獻中得到了很好的限定，簡而言之，所述擴大錐體的壁不能相互發散大於9-12度。出於這一原因，增加水平測試風洞的長度或者豎直風洞的高度往往可以提高效率。
不幸的是，儘管這一點對於水平系統很容易實現，但在豎直系統中這樣做會顯著提高構造和操作成本，並降低可以獲得政府批准建設的地點的數量。因此，將高度降至最低同時使飛行艙下遊氣流的擴大和減速最大化，是豎直風洞在商業上取得成功的關鍵。類似地，在不增加阻力和動力消耗的情況下限制風洞安全區域的乘坐者是必要的。
現有技術的風洞沒有這樣的設計，其具有足夠安靜和短以建造在高密度購物和娛樂場所，同時保持足夠地高效以使商業上操作可行。
相關領域的上述實例以及與其相關的局限性被用於示例而不是唯一地。在閱讀說明書並研究附圖後，本領域技術人員將會清楚地了解到相關領域的其他局限性。

發明內容
本發明的一方面是提供一種豎直風洞娛樂裝置，其具有位於多個風扇入口側的飛行艙，所述風扇又與多個擴大的回流空氣管道相連，由此將效率提高到最大，同時將娛樂裝置的高度降至最小。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其具有在風扇入口側的飛行艙以提高氣流速度和質量，使飛行者具有更低的功率消耗和更高的安全性。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其具有多個更小的風扇，所述風扇以非平行的方式傾斜排列，而不是單個的維修更昂貴和難以維護的風扇。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其具有一個或多個回流空氣管道以保存熱量、減小能量消耗、減小噪聲並可以全天候操作。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，儘管其可以具有比回流管道更大數量的風扇，但其可僅具有一個或兩個回流管道。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其具有容納在下輪廓擴散外殼內的風扇，所述擴散外殼使風扇儘可能地安裝得靠近在一起，使得在無需設置增加整個系統高度或寬度的長過渡管道的情況下多個風扇可以與每個回流空氣管道相連。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其具有帶可調節入口/出口門的被動換氣系統，所述門通過機械方式從系統中排出受熱空氣並吸入更冷的外界空氣，以通過風扇最小的額外功來最有效地控制風洞內的溫度。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其中可調節入口/出口門被布置成使得它們還形成「噴口」或流動收縮段，由此在風洞的內部和外部之間形成有利的壓力梯度並促進換氣，從而通過風扇最小的額外功並且在不採用其他更高成本的空氣冷去技術的情況下有效地控制風洞內的溫度。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其具有由特別設計的纜繩(優選為鋼製)製成的篩網「底面(floor)」，從而產生比常規纜繩更小的阻力並由此產生更小的噪聲。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其具有被設計成防止飛行者在飛行艙內移動太高並能夠快速調節空氣速度以使飛行者回落並將它們保持在安全位置的一個或多個零阻力電子上側屏障。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其在給定效率下具有最低允許總高度，以減小構造成本並滿足公眾政府對建築物高度的限制。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，其通過不僅將主擴散器設置在飛行艙的正下遊，而且使飛行艙下遊的大多數或全部部件在不形成流動分離的情況下儘可能快速地使空氣擴大來優化高度。
本發明的另一方面是提供一種豎直風洞，通過在穿過飛行艙時在不形成分離的情況下儘可能多地擴大空氣來優化高度。這種擴散飛行艙還可以被認為是零高度飛行艙或零長度測試段。
本發明的另一方面是提供一種零高度飛行艙，其中飛行者在擴大的擴散器艙內飛行，空氣速度在他們飛得更高時減小，由此在艙內形成自動攔截的流動以在飛行者下降時使他或她變慢。
本發明的另一方面是提供一種在移動的空氣中具有減小的阻力和噪聲的纜繩。
從參照形成說明書一部分的附圖做出的以下描述和附加權利要求中，將會清楚地了解到本發明的其他方面，其中相同的附圖標記表示幾幅附圖中的同一部件。
為了降低乘坐者從空氣柱中下落並使自身受到損傷的危險，空氣柱從飛行艙的一個壁完全延伸到另一個壁。這種「壁到壁」的氣流還減小了空氣柱邊緣的阻力並提高了整個系統的效率。氣流穿過「纜繩底面」進入飛行艙內。當穿過飛行艙的氣流不足以支承使用者時，纜繩底面提供了對他們的支承。纜繩底面由減阻纜繩製成，所述纜繩包括特定定向和特定尺寸的圓形股線的集結。這些纜繩還可以被用於空氣中的阻力降低有利的任何應用中。
在飛行艙的上(或下遊)端或在其附近，由一個或多個電子(優選為光學)傳感器組成的「虛擬網」監測乘坐者(多個乘坐者)在飛行艙內的位置。在所公開的實施方式中，如果乘坐者(多個乘坐者)在飛行艙內飛得太高，則控制系統自動降低速度。
飛行艙可以是圓形、橢圓形或多邊形，並且面積範圍在略小於75平方英尺到超過160平方英尺。飛行艙一次可以容納六個使用者。飛行艙內的氣流速度可以高達160+mph，這樣完全可以支承多達六個使用者。在優選實施方式中，飛行艙的一個或多個壁包括或包含由透明Plexiglas、丙烯酸塑料、玻璃或類似高強度透明材料構成的平的或彎曲的窗口。當存在時，通向飛行艙的窗口允許不受限制地觀察其中發生的活動。
與飛行艙相鄰的是分段區域。飛行艙可以具有通向分段區域的進入口和出口，使用者或多個使用者可以穿過進入口和出口進入和退出飛行艙。在某些實施方式中乘坐者不會頻繁地旋轉進出飛行艙，這些口可以裝有門，所述門滑動、滾動或通過其他方式移動以關閉這些口中的一個或兩個。使用者在分段區域內等待輪到他們進入飛行艙。分段區域具有透明窗口，使得觀察者可以在不進入分段區域的情況下觀察飛行艙內的任何人(多個人)的飛行。分段區域具有周期性打開的單個或多個門以使人們可以退出整個系統。分段區域還可以裝有可選擇的「背負式(piggyback)」或輔助分段區域。這樣形成了氣鎖，在無需氣流停止的情況下允許團隊從系統外部旋轉進出分段區域。
飛行艙上部的每個門通道上方(下遊)的區域包括穿孔板，其在使用者進入和退出飛行艙時提供備選的氣流通道。在優選實施方式中，小流量偏轉器還可以定位在纜繩底面的下方(上遊)(該纜繩底面處於飛行艙和分段區域之間的每個開口的正下方)以將在它們之間移動的空氣量降至最小並減小所需的平衡量。
風扇和其他控制裝置可以從分段區域內部、飛行艙內部或者從相連的或遠程控制室進行操作。控制風扇以獲得穿過飛行艙的最佳流動速度。
緊靠穿孔部分上方是主發散擴散器。主擴散器從主軸以大致3.5度-5度發散，從而提供7度-10度的「等效錐角」。增加橫截面面積減小了從飛行艙到風扇的氣流速度。在主擴散器上方(或下遊)是可以包括第一組高效轉向葉片的上部風室。在單個回流系統中，這些轉向葉片(或者如果不採用任何葉片則簡單地是風室)從基本上垂直到基本上水平使氣流重新定向。在多回流系統中，這些葉片(或者如果不採用任何葉片則簡單地是風室)將空氣分成基本上相等的流動並使每個流動從基本上垂直變為基本上水平。
氣流隨後穿過入口管道並進入風扇。風扇入口管道使流動從大致正方形或矩形過渡到大致圓形。在優選實施方式中，風扇入口管道作為在不形成流動分離的情況下儘可能大地擴大流動區域的擴散器。儘管如此適用於風洞的任何風扇都是可以接受的，風扇優選是高效軸流風扇。在優選實施方式中，風扇包含彈頭形頭錐和淚珠形尾錐。在優選實施方式中，風扇殼體作為擴散器並且尺寸被設計成在考慮通過頭錐、風扇中心體和尾錐所遮蔽的風扇中心的區域之後，穿過風扇的淨流區域在不形成流動分離的情況下提高的儘可能地大。本發明的氣流速度通過改變風扇的傾角或者通過改變風扇的旋轉速度而得到控制。
氣流穿過風扇並進入排出管道，這樣又從大致圓形過渡到大致正方形或矩形。在優選實施方式中，排出管道作為在不形成流動分離的情況下儘可能大地擴大氣流的擴散器。氣流穿過一組排出通道到達第二組高效轉向葉片(如果採用的話)，這樣又使空氣從基本上水平變為基本上豎直。
氣流隨後進入回流空氣管道。在優選實施方式中，這些回流空氣管道形狀還被設計成發散擴散器，從而在不形成流動分離的情況下儘可能大地擴大氣流。在優選實施方式中，每個回流空氣管道具有換氣機構，其由定位在回流空氣管道相對面上的偶數個氣窗組成。這些氣窗位置和尺寸被設計成使得它們一起在靠近氣窗的流動區域上形成噴口或突然收縮段。該噴口(增加)降低了系統那一位置處的(動)靜壓，並有助於受熱空氣穿過排氣窗從風洞中排出。這樣降低了系統內的壓力並且有助於入口氣窗從系統外吸入更冷的外界空氣。這種結構允許用更冷的外界空氣替換系統內的受熱空氣，由此在無需設置昂貴的備用裝置例如空調或蒸發冷卻裝置的情況下允許使用者為了飛行者的舒適性調節飛行艙內的溫度。
在回流空氣塔的底(或下遊)端，空氣再次穿過一組轉向葉片(或者在不採用任何葉片時簡單地是具有90度轉向的管道)，這樣使空氣從基本上豎直重新定向為基本上水平路徑。空氣隨後進入底部風室，所述風室也可以作為在不導致流動分離的情況下儘可能大地擴大空氣的發散擴散器。在底部風室的端部或(下遊)端，空氣再次穿過一組轉向葉片(或者在不採用任何葉片時簡單地是具有90度轉向的管道)，這樣使空氣從基本上水平重新定向為基本上豎直路徑。在多回流系統中，流動在這一位置重新結合。
空氣隨後進入入口收縮器內。這一喇叭形或鈴形裝置快速減小流動區域，並使空氣剛好在飛行艙之前加速到其最大速度。在此，空氣動力學法則決定了在不有損流動質量的情況下流動區域可以減小的迅速程度。


圖1是單個回流模擬器的頂部透視圖。
圖2是圖1所示實施方式的剖切圖。
圖3是圖1所示飛行艙的頂部透視圖。
圖4是橢圓形出口、矩形入口的氣流收縮器的頂部平面圖。
圖5是氣流收縮器的橢圓/多邊形出口的示意圖。
圖6是橢圓形出口的氣流收縮器的示意圖。
圖7是橢圓形觀察區域的示意圖。
圖8是雙氣鎖分段區域的頂部透視圖。
圖9是溫度調節器的示意圖。
圖10是圖9所示溫度調節器的側向剖切圖。
圖11是在飛行艙入口門上的偏轉器的頂部透視圖。
圖12是偏轉器的近視圖。
圖13是風扇和殼體的側向剖切圖。
圖14是安裝成從它們之間的中心線發散的兩個風扇和殼體的側向剖切圖。
圖15是兩個回流模擬器的頂部透視圖。
圖16是圖15所示實施方式的剖切圖。
圖17是V形足跡的兩個回流模擬器的示意圖。
圖18是在商業區中的V形足跡的兩個回流模擬器的示意圖。
圖19是在建築物中的多模擬器構造的示意圖。
圖20是用於模擬器的商業區式觀察區域的側向透視圖。
圖21是雙收縮器(一個在地下且水平)系統的示意圖。
圖21A是沿圖21所示的線21A-21A截取的剖視圖。
圖22是纜繩底面的頂部透視圖。
圖23是底面傳感器/關閉系統的示意圖。
圖24是倒圓形擴散器的頂部透視圖。
圖25是具有水冷模擬器的巡航船的示意圖。
圖26是減阻纜繩第一實施方式的側向透視圖。
圖27是第二實施方式的纜繩的視圖。
圖28是第三實施方式的纜繩的視圖。
圖29是具有單個外股線的纜繩的橫截面示意圖，所述外股線的尺寸與另一外股線不同。
圖30是減阻纜繩另一實施方式的橫截面示意圖。
圖31是具有單個更大絲索的減阻纜繩另一實施方式的橫截面示意圖。
圖32是具有兩個更小絲索的減阻纜繩另一實施方式的橫截面示意圖。
圖33是具有大股線的纜繩的透視圖。
圖34是具有兩個更小股線的纜繩的透視圖。
圖35是表示一些所披露的纜繩的阻力降低的曲線圖。
在詳細說明本發明公開的實施方式之前，應該認識到本發明並不局限於應用在所示的具體結構的細節，因為本發明能夠有其他實施方式。同樣，在此採用的術語是為了描述而不是限制。
具體實施例方式
首先參照圖1，示出了單個回流模擬器1，其中高度L1優選在大約50英尺-120英尺範圍。一些設備會將所有部件埋在G1或G2的地平面以下。飛行艙10可以完全或部分由透明板製成。如果地平面在G2，則在區域d1形成不透明支座式圖像，其高度可以是大約7英尺。在商業區中，本實施方式在飛行艙10中形成引人注目的、靈活動作的人飛行室。該設計會吸引新的「發行者」願意在飛行艙10中體驗模擬的跳傘。虛線R表示艙頂，其中R以上的部件可以是艙頂安裝以降低噪聲。虛線W表示壁，其中遠離飛行艙10超出壁W的部件可以與飛行艙分隔，以降低飛行艙10附近的噪聲。
大多現有技術中的飛行艙在飛行艙中設置平行壁，使得經歷的飛行者可以在大約每小時140英裡的恆定風速執行操縱。模擬器1具有沿高程11的「零高度」飛行艙。高程11是使氣流收縮器9與氣流擴散器10相連接的線，其中擴散器10具有發散壁20，21，22等等，並且擴散器10還作為飛行艙10。
名義上，在線11處的空氣速度在大約140mph，這是模擬器中的最大速度。當飛行者在飛行艙10中行進的更高直到飛行艙10頂部的連接處110時，空氣速度可以下落到大約120mph。飛行者可以將他們的阻力輪廓從最大展翼鷹位置變為最小的人球形位置。因此，如果飛行者上升到飛行艙10的頂部並隨後將他的阻力變為人類球形狀時，他將下落。由於空氣速度提高且每次增量下降地進入飛行艙10內，因此飛行艙10的擴散器形狀提供了自製動系統。安全網設置在線11上。
換向器2在連接處110與擴散器10相交。空氣在換向器2中從豎直路徑轉換為水平路徑。所有的換向器2，4，6，8都使空氣方向改變大約90度。
風扇組件3可以利用兩個並排風扇使空氣加速。回流空氣模擬器中的基礎空氣動力性能包括在能量效率、噪聲和尺寸上的折中。在最簡單的設計中，試圖保持氣流在穿過模擬器的整個迴路中接近全速。然而，高度必須提高，噪聲很大，並且風室中摩擦產生的熱量很多。因此，為了更有效的操作，必須在空氣穿過模擬器迴路的行進過程中通過擴大風室(plenum)的橫截面積而使空氣減慢，以獲得商業上可接受的高度h1以及噪聲水平，同時試圖可以對風扇採用最小的馬力。
換向器2，4，6，8通常因成本構造考慮而不具有發散壁。風扇殼體部分300和風扇部分3具有發散壁。頂部風室30具有發散壁。豎直回流風室5具有發散壁。底部風室7因成本構造上的折衷而不具有發散壁。底部風室7可以具有發散壁。
氣流收縮器9具有使風室區域截面變窄的收斂壁作用，由此使空氣加速到大約140mph以進行飛行模擬。空氣入口12引入外界空氣以冷卻模擬器空氣。
下面參照圖2，示出了模擬器內部工作裝置的示意圖。通過箭頭F表示氣流。換向翼片200，201，202，203各自使氣流方向改變90度。示意性示出的兩個風扇40，41水平並排安裝在其殼體3內(參照圖13的透視圖)，其中風室擴散器300在風扇正後方使氣流擴張和變慢。擴散在頂部風室30內並隨後在豎直回流風室5內持續，最後穿過飛行艙10。
通過使空氣入口12的氣窗120面向下遊來設置被動溫度調節系統。另外，空氣出口26具有面向上遊的氣窗260。通過在相對出口26附近安裝入口12，由氣窗120，260形成漸縮噴口，由此從入口12朝向下遊形成降低靜壓區域V。因此，在不採用額外風扇的情況下外界空氣被(被動強制)吸入模擬器1內。
下面參照圖3，擴散器/飛行艙10呈基底B所示的多邊形(八邊形)。基底B由安全網覆蓋。壁20，21，22等以範圍在大約7-12度的最佳空氣動力學角度相互發散。飛行艙10的頂部如箭頭110所示為矩形。壁20，21，22等中的所有或一些可以是透明的。
下面參照圖4，氣流收縮器400優選設計是具有矩形入口401和橢圓形出口402。過渡壁403收縮從入口403到出口402的氣流。優選地在圖2中，有時埋在地下的高度h2等於長度d4。這種形狀和尺寸的組合形成對相對較低高度的成本效率平衡以及商業上可行的模擬器1。
下面參照圖5，6，7，術語「橢圓形出口」的氣流收縮器覆蓋了任何橢圓形形狀例如多邊形橢圓形出口500和理想的橢圓形出口600。橢圓形形狀與具有相同橫截面面積的圓形出口相比提供更大的觀察區域700。區域701包括分段和進口區域。飛行艙底部B1可以處於商業區，具有昂貴的零售空間，其中更大的觀察區域700具有相當大的商業價值。
下面參照圖8，兩段式分段艙800包括具有飛行艙壁809的飛行艙底部B2和飛行者入口806，807，所述飛行艙壁809具有窗口810。入口806，807可以沒有門或者具有鉸接門或者具有滑動門。只要門801，805被關閉，風扇不必關閉以使飛行者進入/離開飛行艙10。外界壓力被示為A。門801，805從外界A向第一分段房間802和第二分段房間804開放。門803分隔分段房間802，804。在操作中，一組飛行者進入房間804，同時門803關閉，隨後門805關閉。接著，飛行者進入房間802，同時門801，805關閉。使用了飛行者入口806，807。
下面參照圖9，10，溫度調節系統1000包括具有氣流F的風室5。出口26與入口12相對定位，但略微向上遊移動通過設計參數選定的距離d11。優選地，氣窗120，260可從控制室控制，以改變從外界A到風室5的換氣量。入口空氣量I必須與出口空氣量O接近。通過收縮並加速噴口N處的空氣形成內部靜壓V的降低。
用於在此公開的閉路風洞的換氣系統包括在風洞的每個回流支腿中的兩個較大氣窗排氣窗和進氣窗。排氣和進氣窗定位並定向成使得在它們之間存在有利的相互作用。這一定位是該系統新穎性特徵的一部分。
排氣窗的前緣偏轉到風洞內並從風洞內引出空氣。進氣窗定位在排氣窗的相對風洞壁上。其鉸接線被設計成在設計安裝時與排氣窗的前緣排成一直線。進氣窗的後緣偏轉到風洞內。進氣窗比排氣窗偏轉得更大，以通過形成噴口N使內部氣流速度提高。這一點是關鍵。這種速度的提高導致內部靜壓的降低(伯努利法則)。更低的內部靜壓(低於大氣壓)實際上將空氣吸入入口內。作為最小值，進氣窗具有與排氣窗相同的弦長或長度。在一些風洞構造中，要求進氣窗具有比排氣窗更大的長度或弦長以減小所需偏轉。
傳統風洞空氣交換器具有在風洞獨立部分的排氣和進氣，或者如果它們在風洞的同一部分，則在兩個氣窗之間不存在有利的相互作用以促使所需的內部靜壓下降。其他設計已經採用屏幕或在排氣下遊和進氣上遊的一些其他產生阻力的裝置，來獲得內部靜壓的下降，以促使外部空氣進入風洞。儘管這一點可行，但其效率非常低。這樣導致了不必要的總壓力損失以及風洞性能的附加損失。經常需要另外的管道控制內部靜壓，從而增加了構造成本。本發明避免了這些問題，並以最低的功率損失實現了所需的換氣。
下面參照圖11，12，偏轉器1100沿飛行者入口1101，1102的底邊緣布置，以減小從飛行艙進入房間802的氣流，並由此將房間802內的空腔共振降至最小。偏轉器1100具有傾斜前緣1103。該前緣1103在下遊方向傾斜到飛行艙10內。飛行艙10可以為圓形而不是所示的多邊形。可選擇地，偏轉器1196可以安裝在門的頂部，在那裡其從飛行艙中向內彎曲到分段區域內。
下面參照圖13，14，以優選設計示出了圖2的風扇40，41。它們相對於所示中心線彼此略微遠離地定向。風扇平面P41，P42向下遊傾斜，從而形成銳角P43。風扇罩(風扇罐)1300在鄰近葉片1301的部分之後具有發散壁1302。名義上，W1可以是2.62米(103英寸)，並且W2可以是3.10米(122英寸)。風扇的交錯可以有助於例如通過將風扇41的前部149移向虛線1499將兩個風扇外殼1300而更靠近地放置在一起。這樣減小了兩個空氣柱與風扇之間的距離，從而降低了回流風室的長度和高度。葉片(blade)1301可以向前。
下面參照圖15，16，示出了雙回流模擬器1500。與單個回流模擬器1在功能上等效的部件由同一附圖標記給出，對它們無需進一步的描述。
在該特定實施方式中，飛行艙1503具有平行壁而不是發散壁，以在其中提供相對恆定的氣流。與雙換向器1505相連的擴散器1504處於飛行艙1503的上方。雙換向器1505具有兩個換向翼片1507，1508。風扇通風管道1521支承風扇40，41。上擴散器1520如圖所示與換向器2，4相連。右和左豎直回流風室5各自具有溫度調節系統1000。
底風室7各自與雙換向器1501相連。雙換向器1501具有兩個換向翼片1505，1506。氣流收縮器1502使氣流加速進入飛行艙1503內。與圖2所示兩風扇的實施方式相比，可以利用如圖所示的四個風扇支承更大的飛行艙1503。
下面參照圖17，雙回流模擬器1700具有其中帶有飛行者1704的飛行艙1701。空氣回流部件1702，1703利用頂部平面圖示出，形成從飛行艙1701延伸的V形構造(角度1705是銳角)。該模擬器1700的一個用途是如圖所示的公共步行街，觀察區域VA伸入到步行街PW內，同時部件1702，1703通過壁W得到隔音和隱藏。如上所述，風扇和相關的通風管道可以安裝在頂部。
下面參照圖18，另一V形模擬器1800被設定在不同的商業區環境中。步行街PW沿區域1805具有昂貴的零售店空間。不太昂貴的商業區空間1899可以具有存儲區域，並且可容置回流空氣部件1801，1802。外壁WOUT如圖所示地將回流空氣部件1803，1804定位在外部。
下面參照圖19，壁W形成由PUBLIC所示的封閉區域。示出了模擬器1和1500可行的構造。飛行中的人1704形成了由PUBLIC所示的激動人心的室內娛樂區域。
下面參照圖20，示出了圖1中的模擬器1的藝術家渲染圖，其中商業區2000具有步行街PW。在此採用的術語「商業區」包括帶有遊樂園的高人流密度的娛樂場所、劇場聯合體、家庭娛樂中心以及大學校園。地平面G2形成支座區域d1，使得公眾向上看到透明飛行艙10的內部。售票區域2001可以與其他零售店前部合為一體。壁W和地平面G2的屏蔽部件5，6，7，8以虛線示出。
下面參照圖21和21A，示出了兩段式氣流收縮器。第一段收縮器2111是水平的並通向換向器8。第二段收縮器2112是豎直的並通向飛行艙10。模擬器2110可以將第一段收縮器2112埋入地下。結果使得第二段收縮器2112具有更小的噪聲和高度。本發明可以使模擬器2110具有更低的總體高度。
下面參照圖22，分段區域2200具有底部B由篩網2201組成的飛行艙2202。
形成飛行艙底面的篩網的一種實施方式是織成2』×2』(60cm×60cm)網格的3/32-17-股線的不鏽鋼航空纜繩。纜繩的一端或兩端根據具體應用條件延伸穿過壓縮彈簧。122根纜繩組成了所示的風洞底面。纜繩的數量取決於飛行艙2202的形狀和尺寸、飛行艙內計劃進入的飛行者最大數量以及其他設計考慮。
調節彈簧的擠壓量以向地面提供適當的「彈跳」，從而在飛行者變得不穩定並落在纜繩底面上時使安全性提高。
風洞觀察壁具有11個大的1-1/4」(31mm)丙烯酸板，使處於分段/觀察區域的控制者、飛行者和觀眾可以看到所示實施方式中飛行艙和飛行平臺上的活動。板的數量取決於安裝。具有大的丙烯酸板使觀眾可以看到控制室內部。
下面參照圖23，飛行艙10具有飛行者傳感器2600，其採用能量波2601(光、無線電、聲、UV等等)檢測移動太高而進入飛行艙10內的飛行者。控制器2602可以由簡單的開/關輸出邏輯、或者電流調製器或者類似元件組成，其暫時降低氣流以使飛行者落入飛行艙內。緊急通向外界的門2604還可以通過控制器2602打開。篩網2605還可以被用於防止飛行者行進得太高。
下面參照圖24，另一擴散器2700也可以作為飛行艙。壁2701可以是三英寸丙烯酸板。橢圓形出口2702具有彎曲邊緣。
下面參照圖25，船2850具有帶有海水冷卻系統2800的模擬器2801。海水入口2851通過流動控制器2852通向模擬器內的換熱器2853。空氣溫度傳感器2854與溫度控制器2802通信，以通過控制流動控制器2852將空氣溫度保持在設定點。
圖26，27，28提供了可以形成篩網的各種纜繩設計。基礎空氣動力學的教導是與鈍頭或平的輪廓相對的翼式輪廓可以減小阻力。如圖26所示，纜繩2300具有帶有外部螺旋形包套的標準扭絞元件芯2301。
如圖27所示，纜繩2400具有缺少單個螺旋形元件2402的變形扭絞元件芯2401。
如圖28所示，纜繩2500具有缺少雙螺旋形元件2502的變形扭絞芯2501。
下面參照圖29，所示的纜繩2900的實施方式具有十八個股線。股線2901形成外纜繩周邊，並具有大致相等的直徑d1。D1在所示實施方式中大約為0.4826mm(0.019英寸)。股線L19完成外纜繩周邊，並具有不同於d1的直徑d2。在圖29所示的實施方式中，以實線示出的股線L19具有大約0.7112mm(0.028英寸)的更大直徑。以虛線示出的股線L19a具有比股線2901更小的直徑。
D2應該與d1相差至少10％，更為常見的是D2與d1相差25％或更多。在d2大於d1的那些實施方式中，d2可以是d1尺寸的250％。可以以類似的方式進行其他尺寸值的變化。但d2更小時，d2的最小尺寸將利用結構考慮因素來決定。股線L19a必須具有足夠的尺寸，從而不會在使用中斷裂並且至少最低限度地分開保持兩個相鄰股線2901。股線的數量將取決於採用纜繩的應用。理論上，可以根據本發明公開的內容製成具有6個或更多股線的纜繩並由此起作用。
內股線2902，2903可以具有與股線2901不同的直徑，並形成纜繩2900的芯。中心股線2903可以具有與股線2902不同的直徑。內股線2902和2903的直徑與L19的直徑d2不相關。
在所示的具有L19的纜繩2900的實施方式中，比值D2/D1大約為1.47，其中直徑d3比平均股線直徑d4大約大10％。纜繩2900是具有形成圖9所示螺旋形脊的股線L19的扭絞股線形式。
下面參照圖30，纜繩3000具有直徑為d5的更大外周邊的股線實線L30。在所示實施方式中d5是0.8636mm(0.034」)。D1與圖5中相同。比值D2/D1大約為1.79。長度d6是在所示實施方式中周邊表面範圍S之上方的大約0.5055mm(0.0199英寸)。
還如圖30所示，股線L30a以虛線示出，直徑d5小於D1的50％。在該實施方式中，兩個或多個股線L30a被用於保持開口間隙G。以透視圖示出了具有兩個股線L30a的纜繩300，其具有形成圖34中螺旋槽的間隙G。
在圖32中，示出了纜繩3010的另一實施方式。外股線3011、內股線3012和3013形成了纜繩3010的主要結構。股線L301a的直徑小於外股線3011直徑的50％。與圖6中的兩個股線L301a處於單個間隙G內不同，股線L301a被放置在股線3010的任意一側，從而形成兩個螺旋槽。
下面參照圖33，以透視圖示出了L19的螺旋形脊。
在風洞的操作中，超過20MPH的空氣以與形成了圖22(2202)所示纜繩底面/安全網的纜繩成大約90°角的方式經過。在所公開的所有絲索中，氣流產生的方向對裝置的作用不是至關重要的。不同於氣流直接沿纜繩長度向下行進，空氣流過纜繩的所有其他方向被認為是導致至少一定程度的阻力減小。
圖31表示具有15個股線的纜繩3300。股線3301形成具有L31的外周邊。股線3302和3303形成纜繩3300的內芯。L31在直徑上可以比股線L31更小(未示出)。
所公開的纜繩可以被用在任何風洞或需要採用纜繩的其他環境中，而不僅僅是再循環風洞中，所述纜繩在穿過空氣時或在空氣經過纜繩時遭受的阻力比通常更小。
圖35是表示作為動壓的函數的不同纜繩阻力係數的曲線圖。在所有的測試纜繩中，纜繩中的幾乎所有股線的直徑都大致為0.019英寸。線3401表示標準扭絞纜繩。線3403和3405表示具有繞周邊纏繞的螺旋形股線2302的纜繩2300。線3402表示與圖30一樣、d5為0.035英寸的股線。線3404表示與圖29一樣、d2為0.025的股線。
所公開的纜繩通常不會比相同尺寸的標準纜繩花費任何明顯更大的製造量。因此，通過使用這種減阻纜繩產生的任何阻力和噪聲的減小以及任何能量消耗的相應節省，都將導致直接的成本節約。
儘管已經參照所示實施方式描述了本發明的裝置，但可以做出多種修改和變化並且結果仍然處於本發明的範圍內。在此所公開的具體實施方式
不試圖或不應當視為進行限制。在此描述的每個裝置的實施方式具有多種等同替換。
權利要求
1.一種豎直風洞跳傘模擬器，包括具有大體矩形構造的再循環氣流風室；豎直飛行艙，其能夠使容置在大體矩形構造的第一豎直側元件內並且位於風扇組件入口側的至少一個人浮動；所述風扇組件還包括水平安裝在大體矩形構造的頂部元件中的多個風扇；其中頂部元件回流管道、第一豎直側元件、大體矩形構造的第二豎直側元件回流管道各自具有發散壁部分，以擴大再循環空氣的流動，同時保持大體層流的氣流；以及頂部元件的最上部在大體矩形構造的底部元件最下部之上不超過大約50英尺-120英尺。
2.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，飛行艙還包括用於底部的機械安全網和與頂部元件相關聯的人傳感器，其中人傳感器與控制器相連，從而在感測到人在飛行艙頂部附近時使再循環空氣的流動變慢。
3.如權利要求2所述的模擬器，其特徵在於，控制器還包括起到使至少一個風扇變慢作用的風扇控制裝置。
4.如權利要求3所述的模擬器，其特徵在於，風扇控制裝置還包括暫時減小流向至少一個風扇的電流的風扇功率控制模塊。
5.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，豎直飛行艙還包括發散壁以降低從中穿過的氣流流速。
6.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，還包括具有空氣入口氣窗的溫度調節器，所述空氣入口氣窗在連通空氣出口氣窗的管道元件內位於空氣出口氣窗的相對側，其中通過氣窗形成加速噴口，由此產生靜壓降低的區域並將外部空氣吸入空氣入口。
7.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，每個風扇組件還包括具有發散壁以降低從中穿過的氣流流速的殼體。
8.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，豎直飛行艙還包括具有多個艙裝置的分段區域，從而起到能夠從豎直飛行艙進和出的作用，同時維持可對穿過飛行艙的飛行氣流進行操作。
9.如權利要求5所述的模擬器，其特徵在於，第一豎直艙還包括橢圓形水平橫截面形狀。
10.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，每個風扇以非平行的方式安裝到相鄰風扇上，並遠離它們之間的中心線。
11.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，飛行艙具有入口門，偏轉器處於所述入口門的下遊底邊緣。
12.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，底部元件被埋入地下，由此在地平面或地平面以上形成了在飛行艙地平面上方的安裝高度。
13.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，通向第一豎直側元件的入口的尺寸與底部元件的橫截面部分的尺寸相同。
14.如權利要求1所述的模擬器，其特徵在於，頂部元件的最上部在底部元件最下部之上不超過大約50英尺-60英尺。
15.如權利要求6所述的模擬器，其特徵在於，出口氣窗在管道元件內面對上遊，並且入口氣窗在管道元件內面對下遊，由此形成加速噴口。
16.一種豎直風洞跳傘模擬器，包括具有大體矩形構造的再循環氣流風室，其具有中心豎直元件以及第一和第二豎直回流空氣風室；能夠使容置在中心豎直元件內的至少一個人浮動的豎直飛行艙；所述風扇組件還包括水平安裝在大體矩形構造的頂部元件中的多個風扇；其中頂部元件、第一和第二豎直側元件、以及中心豎直元件各自具有發散壁部分，以擴大再循環空氣的流動同時保持大體層流的氣流；以及頂部元件的最上部在大體矩形構造的底部元件最下部之上不超過大約50英尺-120英尺。
17.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，飛行艙還包括用於底部的機械安全網和與頂部相關聯的人傳感器，其中人傳感器與控制器相連，從而在感測到人在飛行艙頂部附近時使再循環空氣的流動變慢。
18.如權利要求17所述的模擬器，其特徵在於，控制器還包括起到使至少一個風扇變慢作用的風扇控制裝置。
19.如權利要求18所述的模擬器，其特徵在於，風扇控制裝置還包括暫時減小流向至少一個風扇的電流的風扇功率控制模塊。
20.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，豎直飛行艙還包括發散壁以降低從中穿過的氣流流速。
21.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，還包括具有空氣入口氣窗的溫度調節器，所述空氣入口氣窗定位成與管道元件內的空氣出口氣窗相對，其中通過氣窗形成加速噴口，由此將外部空氣吸入空氣入口氣窗。
22.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，每個風扇組件還包括具有發散壁以降低從中穿過的氣流流速的殼體。
23.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，豎直飛行艙還包括具有多個艙裝置的分段區域，從而起到能夠從豎直飛行艙進和出的作用，同時維持可對穿過飛行艙的飛行氣流進行操作。
24.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，飛行艙還包括橢圓形水平橫截面形狀。
25.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，每個風扇以非平行的方式安裝在相鄰風扇上並遠離它們之間的中心線。
26.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，飛行艙具有入口門，偏轉器處於所述入口門的下遊底邊緣。
27.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，底部元件被埋入地下，由此在地平面或地平面以上形成飛行艙地平面上方的安裝高度。
28.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，通向中心豎直元件的入口的尺寸與底部元件的橫截面部分的尺寸相同。
29.如權利要求16所述的模擬器，其特徵在於，頂部元件的最上部在底部元件最下部之上不超過大約50英尺-60英尺。
30.如權利要求21所述的模擬器，其特徵在於，出口氣窗在管道元件內面對上遊，並且入口氣窗在管道元件內面對下遊，由此形成加速噴口。
31.一種豎直風洞跳傘模擬器，包括再循環氣流風室；為豎直飛行艙中的人的飛行提供氣流的風扇組件；所述氣流風室的一部分還包括發散壁以使氣流擴大和變慢；所述氣流風室還包括溫度調節器；所述溫度調節器還包括在風室的共用部分中安裝在相對出口氣窗附近的入口氣窗，所述出口氣窗具有在風室的共用部分中面向內側和上遊的門，所述入口氣窗在共用部分中面向內側和下遊；以及其中所述門形成了風室共用部分的內部變窄段，由此形成靜壓降低的區域，從而將空氣吸入入口氣窗內。
32.一種飛行模擬器，包括豎直風洞飛行艙；至少兩個豎直回流風室；以及其中兩個回流風室通過使風室與飛行艙相連形成V形。
33.一種飛行模擬器，包括豎直風洞飛行艙；具有至少兩段氣流收縮組件的回流空氣風室系統；其中第一段收縮元件沿底風室水平安裝；以及第二段收縮元件豎直安裝在飛行艙下方。
34.一種減阻篩網，其包括纜繩，所述纜繩具有外部螺旋形繞線。
35.一種減阻篩網，其包括纜繩，所述纜繩具有至少一個缺少的螺旋形股線。
36.一種公共娛樂系統，包括具有人飛行艙的豎直風洞，所述飛行艙具有能夠觀察其中飛行的飛行者的透明部分；所述飛行艙安裝在地平面或其附近，由此使經過者能夠觀察到飛行的飛行者；所述飛行艙安裝成接近公共人行道；以及其中所述豎直風洞具有至少一個與公眾人行道分開的機器部件。
37.在具有飛行艙的豎直風洞中，所述飛行艙用於以高速空氣柱支承飛行的人，所述飛行艙具有安全網底面，其中安全網由纜繩製成，其中的改進包括所述安全網還包括具有扭絞多股線構造的至少一個纜繩；股線的一部分形成纜繩的周邊；其中至少一個周邊股線具有與所有其他周邊股線直徑的平均值不同的直徑；以及所述不同直徑的股線形成繞纜繩外表面的螺旋形特徵，由此減小纜繩在空氣中的空氣動力學阻力。
38.如權利要求37所述的裝置，其特徵在於，具有至少一個不同直徑的股線的至少一個纜繩還包括僅有一個的更大直徑的股線，並且螺旋形特徵是脊，所有其餘的周邊股線的直徑相等。
39.如權利要求37所述的裝置，其特徵在於，具有至少一個不同直徑的股線的至少一個纜繩還包括至少一個更小直徑的股線，並且螺旋形特徵是槽，其中所有其餘周邊股線的直徑相等。
40.如權利要求38所述的裝置，其特徵在於，所有股線由鋼製成。
41.如權利要求38所述的裝置，其特徵在於，這一個更大直徑的股線具有大約0.028英寸的直徑，所有其他周邊股線具有大約0.019英寸的直徑，股線總數為19個，其中11個是周邊股線。
42.如權利要求38所述的裝置，其特徵在於，這一個更大直徑的股線具有大約0.034英寸的直徑，所有其他周邊股線具有大約0.019英寸的直徑，股線總數為19個，其中11個是外周股線。
43.在其中具有網的風洞中，改進包括所述網具有多股線金屬纜繩；所述多股線金屬纜繩具有成組的外周股線；其中所述外周股線中的至少一個具有與所有其他外周股線不同的直徑；以及通過不同直徑的股線在金屬纜繩外周上形成螺旋形特徵，由此減小纜繩在空氣中的空氣動力學阻力。
44.如權利要求43所述的裝置，其特徵在於，具有至少一個不同直徑外周股線的金屬纜繩還包括僅有一個的更大直徑的外周股線，其中金屬纜繩中所有其餘周邊股線直徑相等。
45.如權利要求43所述的裝置，其特徵在於，具有至少一個不同直徑外周股線的金屬纜繩還包括至少一個更小直徑的外周股線，其中金屬纜繩中所有其餘周邊股線直徑相等。
46.如權利要求43所述的裝置，其特徵在於，所有股線由鋼製成。
47.如權利要求44所述的裝置，其特徵在於，所述一個更大直徑的股線具有大約0.028英寸的直徑，所有的其他周邊股線具有大約0.019英寸的直徑，股線的總數是19個，其中11個是外周股線。
48.如權利要求44所述的裝置，其特徵在於，所述一個更大直徑的股線具有大約0.034英寸的直徑，所有的其他周邊股線具有大約0.019英寸的直徑，股線的總數是19個，其中11個是外周股線。
49.一種被設計用於在無需纜繩由多個細長金屬元件重複扭絞在一起的情況下有利地減小由纜繩引起的空氣中的空氣動力學阻力的應用場合中的纜繩，外部元件中的一個具有比所有其他外部元件更大的橫截面，所述所有其他外部元件限定了具有預定周向長度的線的外表面，所述一個元件的橫截面尺寸和形狀被設計成使得其在所述預定周向長度以上從所述外表面突出一定距離，以繞所述線形成螺旋形脊，由此減小纜繩在空氣中的空氣動力學阻力。
50.如權利要求49所述的纜繩，其特徵在於，所述外表面基本上是限定了纜繩直徑D的圓形，所述一個元件從所述外表面突出的距離等於D的至少大約10％。
51.一種被設計用於在無需纜繩由多個細長金屬元件重複扭絞在一起的情況下有利地減小由纜繩引起的空氣中的空氣動力學阻力的應用場合中的纜繩，外部元件中的至少一個具有比所有其他外部元件更小的橫截面，所述所有其他外部元件限定了具有預定周向長度的線的外表面，所述一個元件橫截面尺寸和形狀被設計成使得其在所述預定周向長度以下從所述外表面縮進一定距離，以繞所述線形成至少一個螺旋形槽，由此減小纜繩在空氣中的空氣動力學阻力。
全文摘要
一種豎直風洞飛行模擬器包括飛行艙，飛行者可以在其中經歷自由下落模擬。支承飛行者的氣流經過管道利用連接在飛行艙上的風扇導入。具有向飛行艙開口的分段區域與飛行艙相鄰。一個或兩個回流空氣管道被用於使空氣從風扇出口流迴風扇入口。在至少一個管道部分上包括相對的氣窗，由此通過使外界空氣強制進入模擬器內來調節溫度。採用具有發散壁的多個管道部分因降低了高度而提高了系統的商業價值。在頂部上和壁後面的安裝部件形成了對飛行中人的引人注目的步行觀察景象。
文檔編號A01K73/00GK101031470SQ200580025819
公開日2007年9月5日 申請日期2005年8月1日 優先權日2004年7月30日
發明者N.·艾倫·邁特尼, 威廉·基欽, 肯尼斯·W.·莫特, 查理·N.·伊斯特萊克, 麥可·J.·帕爾默 申請人:斯凱旺蒂爾有限責任公司