環形回流垂直風洞及其回流方法
2023-09-19 17:17:15
專利名稱：環形回流垂直風洞及其回流方法
技術領域：
本發明涉及用於跳傘訓練及飛人運動的垂直風洞，尤其涉及一種環形回流垂直風洞及其回流方法。
背景技術：
航空領域的一種特殊地面實驗設備——垂直風洞，早在上世紀以美國為首的發達國家就已經建成多座。近年來，為了進行跳傘員和跳傘運動員在下落階段身體控制和藝術表演的訓練，以及一種時尚體育休閒運動——飛人運動的興起，航空垂直風洞已演化和發展成為一種新的民用為主的飛人運動垂直風洞。垂直風洞飛行艙內的高速氣流可使跳傘員和跳傘運動員得到高效優質的訓練，也可以使飛行愛好者獲得翱翔天空的樂趣。到目前為止，歐美各國已建成多座這種飛行艙設備。美國建成的數目最多，並已經獲得廣泛應用。比如美國專利6083110號公開了一種垂直風洞訓練系統，該風洞為開路式(即煙囪式)，依靠置於風洞上部的幾個風扇作為其動力系統，通過這幾個風扇的作用，將風洞內的工作氣體排到外界環境中，風洞內的氣壓將低於外界大氣壓，從而使外界空氣通過其下部的空氣入口進入風洞，實現工作氣體的循環。美國專利US2006/0025227A1公開了另一種垂直風洞系統方案，該風洞為一種回流式風洞，但其回流方法為管道式單回流或雙回流，通過置於上部的風扇系統和複雜的管路系統在飛行艙內產生高速氣流並實現回流。
但是，現有的垂直風洞存在以下缺點多採用開路式(即煙囪式)，雖然結構簡單，但是高度大、噪音高，並且受外界天氣影響較大，制約了其使用；現有的管道式回流風洞回流管路設計、施工都很複雜；並且風洞內部空氣與外界大氣交換很少，不易散熱，使風洞工作一段時間後，內部回流空氣溫度過高，並且不新鮮，易使人感到不適，不宜長時間工作。目前，發達國家以及我國正在大力研製新型、經濟、安全、舒適的垂直風洞，以便更好的滿足訓練和娛樂方面的要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種功率需求低，噪音較低，安全、舒適，可適應各種氣象條件的環形回流垂直風洞及其回流方法。
為實現本發明目的，而提出以下技術方案一種環形回流垂直風洞，包括動力系統和工作洞體，其中所述工作洞體包括入口進氣端、安定段、收縮段、工作段、以及出口排氣端，其特徵在於所述風洞還包括一個罩於所述工作洞體之外的外殼，在所述工作洞體和所述外殼之間有一個環形通道，所述動力系統將空氣從所述工作洞體入口進氣端吹入，穿過所述工作洞體並從所述工作洞體出口排氣端吹出，經所述環形通道回流至所述工作洞體入口進氣端。
上述環形回流垂直風洞，所述動力系統設於所述工作洞體的入口進氣端，所述工作洞體出口排氣端設有回流導流器。
上述環形回流垂直風洞，所述回流導流器為具有中心錐狀物的碗狀，扣置於所述工作洞體上。
上述環形回流垂直風洞，所述回流導流器中設有至少一層導流隔板及整流裝置。
上述環形回流垂直風洞，所述外殼上部設有至少一個排氣窗，下部設有至少一個進氣窗，在所述外殼和所述工作洞體之間且在排氣窗下面的位置處設有阻尼網。
上述環形回流垂直風洞，所述工作段橫截面為多邊形。
上述環形回流垂直風洞，所述外殼和工作洞體至少在工作段處均由透明物質製成或者所述工作洞體內壁至少在工作段處設有電子屏幕或圖畫。
一種環形回流垂直風洞回流方法，用於上述環形回流垂直風洞，風洞工作時，空氣從工作洞體入口進氣端吹入，穿過工作洞體後從工作洞體出口排氣端吹出，空氣由工作洞體吹出後通過外殼和工作洞體之間的環形通道實現回流。
上述環形回流垂直風洞回流方法，在空氣回流過程中通過設於所述工作洞體的出口排氣端的回流導流器進行回流。
上述環形回流垂直風洞回流方法，在空氣回流過程中還通過設於所述工作洞體外殼上部的至少一個排氣窗和設於外殼下部的至少一個進氣窗，對回流空氣進行換氣調節。
本發明的積極效果是(1)本發明的環形回流垂直風洞是通過在外殼和工作洞體之間形成環形回流工作的，動力要求較開路式低，設計、施工較管道式回流風洞簡單，噪音尤其是洞外噪音低，可以全天候使用，經濟、安全、舒適。(2)本發明的環形回流垂直風洞採用穹形的回流導流器，使氣流方向轉變180°，簡便的實現了回流，並且降低了能量損失；該導流器為具有中心錐狀物的碗狀，其中的中心錐狀物能夠防止渦流的產生，導流器內凹的型面及設置的分流隔板和整流裝置可以改善導流，防止出現嚴重分離。(3)本發明的環形回流垂直風洞的外殼上設有進氣窗和排氣窗，能夠保證風洞長時間運行期間空氣新鮮，並可使氣溫控制在合適的溫度範圍。在風洞外殼和工作洞體之間排氣窗下面位置處設有阻尼網，可以使網上方氣體壓強稍大於室外大氣壓，以利於上方熱空氣的排出，同時，設置阻尼網也有助於降低回流區的噪音。(4)本發明的環形回流垂直風洞垂直的外殼和工作洞體至少在工作段區均由透明物質製成，或者工作洞體內壁至少在工作段處設有電子屏幕或圖畫，使飛行者能夠獲得翱翔天空的真實感覺。另外，本發明的環形回流垂直風洞的工作段橫截面為多邊形，便於安裝平面玻璃。
圖1為本發明的環形回流垂直風洞的結構示意圖。
圖2為動力系統風機布置平面示意圖。
圖3為工作段截面示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述，但應當說明的是，這些實施例僅用於說明本發明的方案，而並不能將本發明的範圍局限於此。
如圖1所示，本發明的環形回流垂直風洞具有以下幾大部分下置的動力系統1，外殼2，支架3，工作洞體4，以及回流導流器5。下面分別就這幾大部分說明本系統的工作原理。
本實施例中，本發明的動力系統不同於現有風洞的上置式動力系統，而是把動力系統1置於整個垂直風洞的底部，與上置式動力系統相比，這樣設計的優點是不僅可以減輕支架3承載的重量及振動，而且可以大大降低安裝成本，並且便於設備檢修。如圖1所示，在該實施例中甚至將動力系統1置於地面以下，同時減小了噪音尤其是洞外噪音。
如圖1所示，本發明的環形回流垂直風洞包括一個外殼2，這使得本發明的風洞的工作洞體4處於外殼2形成的室內，雖然整個風洞系統置於室外大氣環境，但不受外界環境和氣候的影響，可以全天候運行，大大提高了使用效率。
支架3設置於外殼2和工作洞體4之間，用於支承外殼2、工作洞體4和回流導流器5等結構，由於本發明將動力系統1下置，減輕了支架3承載的重量及振動，對於支架3的強度要求就大大減小，成本就可大幅減低。
工作洞體4是風洞的主要部分，空氣由工作洞體4的下部進入，從工作洞體4頂部流出，如圖1中箭頭方向所示，本發明的工作洞體4主要包括安定段42、收縮段43、工作段44、擴壓段45。
回流導流器5的作用是將從工作洞體4頂部垂直向上流出的空氣轉變流向，改為垂直向下，從而實現本發明風洞的環形回流。回流導流器5的形狀為倒扣的具有中心錐狀物的碗狀，其內凹的型面和分流隔板51及整流裝置利於氣流方向轉180°向下，並減少能量損失。
以上是本系統工作原理的敘述，下面將結合具體實施例，對本發明進行詳細描述。
如圖1所示，在該實施例中動力系統1被置於地面以下，本實施例的動力系統1包括六組電機系統11，每組電機系統11包括電機111和風扇112，在地面以下呈與工作洞體4同軸心的環形均勻水平布置，如圖2所示。每臺電機功率為132至220千瓦。當然，本發明還可以採用其它臺數的電機系統，可以根據需要採用靈活多變的各種電機、風扇組合。多組小功率電機的設置避免了採用單個大型電機、風扇系統，可以採用380V的低壓電源，方便運行。同時，採用多組小型電機、風扇系統，噪音低，造價低，降低了風洞的總高度，易於製造、安裝、維修、更換；並且可以根據風洞使用者的多少及需求，開動不同數量的電機、風扇，因此運行靈活多變，節電潛力大。另外很重要的一點是當其中一組電機、風扇突然出現故障時，其它組的電機、風扇仍能夠正常工作，從而能夠有效地避免安全事故的產生。另外，電機系統11中電機111通過傳動軸帶動風扇112轉動，可以縮短風扇段長度，並且有利於電機散熱，可長時間運轉。
當本發明的風洞開始工作時，電機111、風扇112開啟，空氣進入風機入口進氣段121，風機入口進氣段121和出口排氣段122分別設有拐角導流片113和114，可以先使垂直向下進入的氣流在風扇112的入口處變為水平方向，然後再變為垂直向上平穩流出，從而最大程度的降低了能量損失。
如圖1所示，本發明的環形回流垂直風洞的動力系統1還包括一個集氣段141，集氣段141中設計了一個中心錐體1411，所述中心錐體1411由鋼或其它材質製成，位於集氣段141中心，與工作洞體4同軸心，高度與集氣段141相近，頂角角度為45°至60°。所述中心錐體1411的作用是配合集氣段141的外壁使集氣段141的橫截面隨著氣流上升而逐漸擴大，從而使來自多個風扇112的出口氣流減速，平穩地進入工作洞體4，從而避免了將風扇112出口直接連接到工作洞體4時形成面積的突然擴大，降低了能量損失。
氣流由底部通過集氣段141比較平穩地進入工作洞體4的安定段42，在安定段42還裝有的使氣流垂直向上的蜂窩器421，所述蜂窩器421的蜂窩格子口徑為50至60mm，長度為500至600mm。
工作氣流進入收縮段43後，為保證進入工作段44的氣流均勻、穩定，收縮段43的側面為收縮效果良好的流線型，收縮比(收縮比為入口面積與出口面積之比)為2.5至4.0。
工作段44底部設有安全網440，安全網440能夠保證任何情況下工作段44中的人員不會墜入工作段44下方，並且為了避免人員下落時與安全網440相撞而造成傷害，安全網440需要有足夠的強度和適度的彈性。
工作段44口徑為3至4米，高度為3至6米，內部風速為50至65米/秒。工作段44分為下工作段441和上工作段442，下工作段441的外壁為直壁，有利於獲得穩定的氣流。上工作段442為小角度擴張段，擴張角度的全形為6°至8°，以補償壁面上附面層增長(空氣粘性在物體表面上所形成的一層低速氣體薄層稱為附面層或邊界層)以及避免飛行人員下墜速度過快。該上工作段442為主要飛行區，即人員主要在此段進行飛行訓練或娛樂。在本實施例中，工作段44以及外殼2與工作段44相對應處橫截面為正八邊形，如圖3所示，與圓形相比，更便於安裝玻璃，而且加工成本也大大降低。當然，在其他實施例中，該橫截面也可以其它多邊形或者圓形。工作段44的側面設有工作間和停靠區(圖中未示)，便於工作人員控制以及教練員和飛行者在風洞工作時停靠、休息。工作段44和擴壓段45交接處設有過渡填塊450，將工作段44出口的多邊形截面過渡到圓形，以與擴壓段45有良好的連接。
在工作段44中，為使飛行者能夠獲得翱翔天空的真實感覺，本發明的外殼2和工作洞體4與工作段44相對應處均由透明材料如玻璃、亞克力等製成，外殼2其餘部分可以為不透明的材料，如由玻璃鋼、金屬等製成，工作洞體4其餘部分為鋼或其它材質_製成。當然，如果工作洞體內壁至少在工作段處設置電子屏幕或圖畫，也可以獲得相類似的效果。
擴壓段45位於工作段44上方，擴壓段45的擴散角度(擴散角為擴張壁面間夾角)為8°至12°，以儘量減小高度並避免發生氣流分離(過小的擴散角度造成擴壓段過長，過大的擴散角使氣流脫離壁面，造成流動分離)減小能量損失。
回流導流器5的作用是將從工作洞體4頂部垂直向上流出的空氣轉變流向，改為垂直向下，從而實現本發明風洞的環形回流。回流導流器5的形狀為倒扣的具有中心錐狀物的碗狀，其內凹的型面和內置多層分流隔板51及圓臺表面形成的孔板52，將最大限度的減少能量的損失，且有利於氣流的轉向。在本實施例中回流導流器5中的整流裝置為圓臺表面形成的孔板52，當然，在其它實施例中也可以為其它形式。
工作氣流沿回流導流器5向下進入位於外殼2和工作洞體4之間的回流段46，然後一路向下被送至風機入口進氣段121，這樣就完成了工作氣流在本發明的風洞中的循環過程。
另外，為使經過長時間運行後風洞中的工作氣體的溫度不至於過高，同時確保工作段44中的空氣保持新鮮，外殼2上部設有若干個排氣窗21，下部設有若干個進氣窗22。隨時都可根據情況控制進氣量，使部分溫度升高的工作氣體可以通過排氣窗21排出風洞系統，在排氣窗21下面位置處設有阻尼網211，使阻尼網211上方的氣壓稍大於外界環境大氣壓，便於熱的工作氣體能夠適量排出，同時，該網還有助於進一步降低回流段46中的噪音。與此同時，在回流段46下方設有多個進氣窗22，外界環境中的新鮮空氣通過進氣窗22隨時補充進風洞系統，以確保風洞中的工作氣體在長時間運行期間溫度適宜，新鮮。
風扇周圍及集氣段設有消音裝置及消音材料(圖中未示)，確保了本發明的風洞具有低噪音特點。
外殼2和工作洞體4之間設有電梯(圖中未示)，以方便人員出入工作段44。
在其它實施例中，環形回流垂直風洞與上述實施例中的基本相同，但為了安裝方便，下置的動力系統也可以不置於地坑之中，而是置於地面以上；此時，由於空氣流動不會受到地坑的影響，且使設備更加簡化。
顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而這些屬於本發明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。
權利要求
1.一種環形回流垂直風洞，包括動力系統和工作洞體，其中所述工作洞體包括入口進氣端、安定段、收縮段、工作段、以及出口排氣端，其特徵在於所述風洞還包括一個罩於所述工作洞體之外的外殼，在所述工作洞體和所述外殼之間有一個環形通道，所述動力系統將空氣從所述工作洞體入口進氣端吹入，穿過所述工作洞體並從所述工作洞體出口排氣端吹出，經所述環形通道回流至所述工作洞體入口進氣端。
2.根據權利要求1所述的環形回流垂直風洞，其特徵在於所述動力系統設於所述工作洞體的入口進氣端，所述工作洞體出口排氣端設有回流導流器。
3.根據權利要求2所述的環形回流垂直風洞，其特徵在於所述回流導流器為具有中心錐狀物的碗狀，扣置於所述工作洞體上。
4.根據權利要求3所述的環形回流垂直風洞，其特徵在於所述回流導流器中設有至少一層導流隔板及整流裝置。
5.根據權利要求1、2或3所述的環形回流垂直風洞，其特徵在於所述外殼上部設有至少一個排氣窗，下部設有至少一個進氣窗，在所述外殼和所述工作洞體之間且在排氣窗下面的位置處設有阻尼網。
6.根據權利要求1、2或3所述的環形回流垂直風洞，其特徵在於所述工作段橫截面為多邊形。
7.根據權利要求1、2或3所述的環形回流垂直風洞，其特徵在於所述外殼和工作洞體至少在工作段處均由透明物質製成或者所述工作洞體內壁至少在工作段處設有電子屏幕或圖畫。
8.一種環形回流垂直風洞回流方法，用於如權利要求1所述的風洞，風洞工作時，空氣從工作洞體入口進氣端吹入，穿過工作洞體後從工作洞體出口排氣端吹出，其特徵在於空氣由工作洞體吹出後通過外殼和工作洞體之間的環形通道實現回流。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於在空氣回流過程中通過設於所述工作洞體的出口排氣端的回流導流器進行回流。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於在空氣回流過程中還通過設於所述工作洞體外殼上部的至少一個排氣窗和設於外殼下部的至少一個進氣窗，對回流空氣進行換氣調節。
全文摘要
一種環形回流垂直風洞及其回流方法，本發明的環形回流垂直風洞包括動力系統和工作洞體，其中所述工作洞體包括入口進氣端、安定段、收縮段、工作段、以及出口排氣端，其特徵在於所述風洞還包括一個罩於所述工作洞體之外的外殼，在所述工作洞體和所述外殼之間有一個環形通道，所述動力系統將空氣從所述工作洞體入口進氣端吹入，穿過所述工作洞體並從所述工作洞體出口排氣端吹出，經所述環形通道回流至所述工作洞體入口進氣端，本發明的環形回流垂直風洞及其回流方法是通過在外殼和工作洞體之間形成環形回流工作的，動力要求低，設計、施工簡單，噪音尤其是洞外噪音低，可以全天候使用，經濟、安全、舒適。
文檔編號G01M9/02GK1851435SQ200610083788
公開日2006年10月25日 申請日期2006年6月6日 優先權日2006年6月6日
發明者劉福長, 劉曉萌 申請人:劉曉萌