CN101228070A - 改进的全景竖直风洞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设计为在竖直区段运转的风洞，也就是说，由合适的装置产生的气流在位于该风洞端部的竖直区域相遇，所述气流能够在该竖直区域中提升物体。同时，由于该风洞由透明材料制成，能够从外部观察所述提升效果。在该装置中对物体的观察和提升允许对物体进行显示和测量。

Description

改进的全景竖直风洞

本发明涉及具有观察设备的竖直风洞，该风洞的新的结构、形状和设计特征满足其特别构建有最大安全性和有效性的目的。

更具体地，本发明涉及一种设计为在竖直区段运转的风洞，也就是说，由合适的装置产生的气流在位于该风洞端部的竖直区段相遇，所述气流在该竖直区段能够提升物体。同时，由于所述风洞由透明材料制成，从外部可以观察所述提升效果。在所述管道内对物体的观察和提升允许对物体进行显示和测量。本发明为现有技术的改进，改进之处在于：

-最优化了所述管道的几何特征；

-所述管道的结构的形式；

-所述管道内空气推进器的位置。

本发明的另一目的是允许所述管道的安装用于娱乐的目的，这样，公众可以享受在所述竖直区段中提升物体或人体的乐趣，从而以查看物体如何被提升起来，并体验这种新的感觉。

本发明的另一优点是所述管道不同区段的几何和空间设计，首先用于通过产生气流的最小推进器消耗量实现最大的性能，其次所述推进器设置在所述管道的外部。这意味着，所述推进器不会与由该推进器产生的气流产生干扰，避免与所述气流的干涉而产生的负载损耗。该损耗又会产生紊乱，并使通过电动机驱动所述推进器的消耗增加。风洞运转所需的动力还取决于其设计。由于在相同的气流和气压下，最优化所述形状会最终使该动力降低，因而，将二者分开是不可能的。

本发明由三个环状的管道形成，所述三个管道在端部通过竖直区段彼此结合。所述竖直区段优选地由透明区段制成。所述环依次由不同的管道区段形成，所述管道区段由对应的夹具如螺钉和类似部件固定在一起。所述区段中的三个包括推进器，从外部通过对应的电动机驱动所述推进器，所述电动机的轴使用带、链、减速器或相等的技术而连接于所述推进器的轴。

所述风洞所产生的模型主要构建有以下部区段：

-飞行舱，该飞行舱是所述风洞的竖直风区段，飞行舱的使用者位于该飞行舱内，在所述飞行舱内的位置，气流达到最大速度；

-三个回流通路，该三个回流通路包括一系列直的区段，该直的区段将气流从所述飞行舱的出口引导至相应管道的入口，或以尽可能小的损耗进行压缩；

-来自所述飞行舱的三个压缩管、区段，在该压缩管中，所述气流加速，以最大速度进入所述飞行舱。

所述风洞的技术设计着眼于帮助由推进器及其电机产生的气流集中于一个区域；所述管接的下部区域，这样，所述气流的总和以及由该气流产生的压力叠加在所述管道的接头的下部区域中，形成向上的气流，该向上的气流能够在该竖直区域内提升物体，并允许物体在该竖直区域内移动。

采取的实验和进行的计算允许所述风洞根据使用该风洞的使用者的类型而以两种可能的方式运行。

-专家模式，在该专家模式中，气流速度在飞行舱入口处达到70m/s，在距离地面6m的高度处约为50m/s。这允许处于水平位置的使用者恒定保持在该高度上，而且，当速度为65m/s时，允许使用者保持在竖直位置。

-非专家模式，在该非专家模式中，所述飞行舱入口处的最大速度达到55m/s，在距离地面1.5m的高度处为50m/s。

所述风洞的最优化通过该风洞的空气动力学性能而计算机仿真而实现。这用有限元软件进行仿真，并允许对所述风洞的每个部分进行个性化的设计。对每个区段都分析了不同的结构，检查每个区段内部具有气流时的性能，以减少紊乱，并避免漩涡，特别是在所述设计的最弯曲的区段中。该最优化的结果是，使所述推进器驱动所述风洞所需的动力损耗降低，在该设计中确保较大装置的可靠性的关键参数。

市场中已有风洞的不同类型和结构，因而，这些结构应视为包括处于竖直位置的实验舱的风洞。然而，不能直接观察内部所发生的情况，因而这些风洞必须装配有人工视频装备，以向外部显示在竖直区段中所发生的情况。这通常用于所有形式的实验中，如空间探索公司(Sky Venture Inc)的欧洲专利96919369.6，该专利公开并要求了一种“降落伞跳伞仿真器”，包括具有空气柱的竖直舱，该空气柱能够支撑飞行中的跳伞员，跳伞员装备有视频投影屏和位于该竖直舱的竖直壁上的其他元件。

Airflite公司的英国专利GB No.2094162公开了一种基于复杂结构的悬浮装置(levitationarium)，用于使人体悬浮起来。该结构内部为腔室，该腔室中具有由线性空气导管形成的向上气流，允许人位于内部的格栅包括起飞区域和具有周围导管的另一降落区域，在该周围导管中，人位于气流的外部。

最后，也构成部分现有技术的由“自由落体仿真器”公开在专利PCT2004/022427中，该“自由落体仿真器”包括位于下部区域的高压舱，所述下部区域具有用于布置在出现在中间管道的中间舱结构中的数个通风设备的端部。

通过下面参考附图的描述，将表示出其他细节以及特征，所述附图代表本发明的优选实施方式，而且应视为描述性的而不是对本发明的限定。

附图中主要部件的详细列表为：

10风洞；11弯曲区段管道；12平台；13脉冲管道；14排气管道；15夹具；16螺钉；17电动机；18减速器；19下管道接头部件；20上管道接头区段；21支柱；22透明板；23风洞10的竖直区段；24通风设备；25空气入口区段；26拐角；27输出区段。

图1为所有形成环的风洞10及其管道11、13、14以及上管道接头区段20和下接头区域19的透视图；

图2为表示所述管道11、13和14的放射状布局的风洞10的顶视图；

图3为具有1/3所述风洞10的竖直区段23的所述管道11、13或14的臂之一的透视图；

图4为所述风洞10中管道环20的正视图。

如图1(比例为1∶12.5的实体模型)所示，在本申请的优选装置中，通过连接并组装不同的管道以形成环28，从而制成风洞10，所述环沿径向以约120°间隔开。有角的管道11以如下方式装配：上端通过合适的星形连接件20固定，但下端11连接于圆柱驱动管道13，该驱动管道13内部为电动机17形成的驱动，所述电动机通过减速器18和带或链动力地连接于相关的风机叶片24(图中未显示)，所述带或链将所述减速器轴连接于所述风扇轴，反过来又装配在所述管道13、驱动管道14的下端，也没有在以星形接头19连接1的图中显示。该设计还包括所述管道中的不同内挡板(图中未显示)，所述挡板位于所述飞行区域的上部区域和下部区域，详细地说，位于星形接头19和20上，并位于所述返回管道11的端角处上，具有双向气流。一方面，通过改变空气运动的方向，这能避免在这些点处产生紊乱。另一方面，位于风洞竖直区段之下的挡板能够改变飞行区域中的空气速度的分布，所述飞行区域设计为在该飞行区域中靠近壁的向上速度增大。这意味着，飞行区域的中间区段靠近壁的保持力较大，因而，如果使用者无意中由于在自由落体飞行中不够熟练而向所述壁移动，则由于上述增大而产生的速度梯度会使人回到风洞的中心区域，从而减少了撞到壁的可能性。这种效果显示在图3中。

风洞10的上部区段与下部区段(具体为区域20)一起，以及区域19通过支柱21连接在一起，支柱21覆盖透明板22，该透明板22将空气入口区段25连接于具有出口区段27的竖直区段23，界定出风洞10中的竖直区段23。该竖直区段具有由两个不同锥形产生管道形成的特定形状。在实际比例装置上的所述竖直区段的下部区段上(在0m至3m高之间)，所述锥形的直径从5m增大至5.4m，形成角度为3.81°的壁形成所述竖直面，同时，在上部区段(在3m至8m之间)上，直径从5.4m增大至7m，以9.09°形成壁。风洞的竖直区段的发散中的这种变化，使空气速度的竖直分布改变，以在专家模式中在理想的高度上实现70至50m/s之间的变化。由于内部空气通道增大，从而使保持稳定气流所需的驱动动力增大，因而，如果没有上述安装，则必然会相当程度上增加爱其整体高度，从而使结构和操作成本上升。

风洞10具有如表1所示的几何形状，其特征在于如下方面：

-所述管道的横截面的形状在所述风洞的竖直区段为圆形，在所述上部区段为椭圆形，在下部区段为圆形，在接头区段19的开口处为120°的环形。

-所述飞行舱或竖直区段23的入口区段25位于地平面，也就是说，高度为0m，入口区段25由两个截头圆锥形管道形成，该两个截头圆锥形管道具有不同的张角(张开程度)，上部锥形的张角大于下部锥形的张角。

-在回流通路26中的弯曲区段11或拐角处于约为135°的角度。

-所述回流通路沿其延伸长度的横截面始终处于变化中。

表1：计算机形成的所述设备的实际比例图像。

表2所示的风洞10中的动力，来自驱动位于管道13内的风扇24的电动机17，该风扇24驱动风洞10内部的空气，产生压缩气流，并流向下接头区段19，在该下接头区段19中，空气的总和从由17和24的综合作用驱动的管道11中流出，将空气送到竖直区段23中，由于透明板22，从而可以看到内部以及内部的物体和人，而不需要人工观察设备。这允许所述板转变为便于上述物体出入的实际的门。

表2：在飞行舱(仅图示有该飞行舱)中在地平面时在计算机仿真过程中获取的竖直速度值的代表参数。可见，在靠近壁处实现最大的速度。

管道接头11、13、14，以及区段19和20，沿夹具15和具有对应螺母的螺钉16(在附图中没有显示)延伸，在需要的地方分散布置有压力接头，从而产生具有较好性能的封闭管道，能降低能量损耗。

用于实际比例装置的耗能计算已经有数字仿真完成，所述实际比例装置的飞行区域直径为5m；表2表示某些最有意义的结果。作为比较，显示了开放风洞(没有回流)的能耗，在开放风洞中，从外部直接采取空气，将该空气竖直地向飞行区域驱动，然后释放到大气中。例如，该开放风洞为上述空间探索公司(Sky Venture Inc)的欧洲专利96919369.6。

风洞模式	能耗
				非专家模式(v＝50m/s)	专家模式(v＝70m/s)
开放风洞(无回流)	1.45MW	3.98MW
			在20和11中具有挡板的三臂风洞	1.18MW	3.17MW
在20、11和19中具有挡板的三臂风洞(较差的结果)	1.43MW	3.83MW
			在20，11和19中具有挡板的三臂风洞(最优化的)	0.60MW	1.72MW

表3：5m直径的风洞的运行动力的计算。

分析上述表3中的数据可知，在没有数据仿真的情况下，难以预测风洞10的性能。然而，本发明的目的的一种设计能够节省驱动开放风洞所需的动力的50％。

该种装置的另一本质的重要方面是，即便所述管道的形状没有变化，必须假定空气动力学原理的定律为非线性的，且所述装置的性能可以随着尺寸的变化而改变，才能对实际比例的所述装置进行仿真。上述尺寸变化的重要结果可见于损耗的动力，该能耗随所述装置尺寸的变化而发生明显地改变。

所有封闭风洞(在封闭风洞中，空气为重复循环以节省驱动动力)的共有特征是，空气与壁的摩擦作用使空气加热，而不适于风洞的持续运行。然而，在模型中，可以忽略该摩擦作用。在实际尺寸的装置中，假设在驱动过程中用相当大的动力驱动空气，而且，空气的温度变化十分显著，特别是当外部空气温度较高时，则不能忽略所述摩擦作用。空气的加热使空气的密度变小，在图示的装置中，因而这意味着，除了由温度升高带来的麻烦之外，支撑使用者的力下降。为了防止所述装置中的这些不利因素，使用热的良导体材料如铝制造弯曲管道11，而且设置有围绕弯曲管道的冷却套管，以从外部冷却装置循环冷却水。而且，区段20、11和19中的挡板由铝或类似的热的良导体材料制成，且内置有孔，以从内部循环冷却水，用作附加的热交换器。所做的计算表明，在具有合适的冷却动力的非理想状态下(也就是说外部温度为30℃)，风洞的竖直区段或飞行区域中的温度在非专家模式的27℃和专家模式的33℃之间变化，这视为适于所述装置的运行。

通过附图已经对本发明进行了充分的描述，容易理解的是，可以做出认为合适的任何改变，只要该改变没有改变概括在附属的权利要求中的本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种具有观察设备的竖直风洞，所述风洞包括接收压力气流的腔室，所述压力气流优选地由相应的电动机驱动的风扇作用而产生，其特征在于，风洞(10)以下述方式形成，即通过将管件以彼此间隔约120°的放射状布局连接起来而形成管道或环(28)，成角度布置的管道(11)的一端装配于星形连接件(20)，同时下端连接于圆柱形驱动管道(13)，空气驱动管道(13)安装于会聚在星形连接件(19)的下端，使用容纳着透明板(22)的支柱(21)将连接件(20和19)连接，从而限定出所述风洞(10)的竖直区段(23)，在所述风洞(10)的内部具有管道(13)，用于将空气驱动至所述风洞的竖直区段(23)的下部区域。

2.根据权利要求1所述的具有观察设备的竖直风洞，其特征在于，空气在所述管道(13)内部由机械连接于外部装置的风扇(24)驱动。

3.根据上述权利要求中任意一项所述的具有观察设备的竖直风洞，其特征在于，用于所述风扇(24)的外部驱动装置为电动机(17)和通过链或带连接于所述风扇轴(24)的减速器(18)。

4.根据权利要求1所述的具有观察设备的竖直风洞，其特征在于，所述风洞具有由如下方面限定的几何结构：

-所述管道在所述风洞竖直区段(23)的横截面形状为圆形，在所述上部区段为椭圆形，在所述下部区段为圆形，在接头区段的开口处为120°的环形；

-所述飞行舱或竖直区段(23)的入口区段(25)位于地平面，其高度为0m，入口区段(25)由两个截头圆锥形管道形成，该两个截头圆锥形管道具有不同的张角，上部锥形的张角大于下部锥形的张角；

-在回流通路(26)中的弯曲区段(11)或拐角约为135°的角度；

-所述回流通路的横截面沿其整个延伸长度变化。

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