[发明专利]一种大气边界层风洞的非定常风的模拟方法

说明书

本发明涉及一种大气边界层风洞的非定常风的模拟方法，其通过变频器的频率值变化调节多风机转速来控制风洞内风速，在不同频率下测量风机风速，标定风机的响应关系曲线，通过组态王软件控制变频器频率变化，实现恒定风速、正弦风速调节，通过热线风速仪的风速测量结果，对变频器的频率值变化进行修正，可保证风洞内风速的高频变化，克服风机惯性影响，在高流速的前提下实现了风洞内可控的非定常风，能够高度近似模拟野外阵风，为对大气边界层空气流动状态以及流动特性的研究提供参考意义。

技术领域

本发明属于流体动力学研究技术领域，具体涉及一种大气边界层风洞的非定常风的模拟方法。

背景技术

土地沙漠化、沙尘暴等是全球性的严重环境问题，荒漠化防治是国际社会关注的焦点.按照《联合国防治沙漠化公约》确立的定义，我国荒漠化的土地面积高达280多万平方公里，占我国近1/3国土面积。在华北、东北、西北的“三北”地区，有80％的漠化、土壤风蚀及草场退化所形成的荒漠化面积达2460km2.尤其是我国西部的沙漠面积达70多万平方公里，约占国土面积的1/14，全球第二大流动性沙漠新疆塔克拉玛干沙漠一直是我国风沙危害最为严重的地区。在西部干旱半干旱地区特殊生态环境下，加之以水土开发为主的人类活动，使得以土地荒漠化为典型象征的生态环境恶化趋势越演越烈，以至影响到区域生态环境安全和区域社会经济的持续发展，违背了党和政府倡导经济发展的可持续性、注重经济发展和环境保护同步的科学发展观，这一基本国情决定了荒漠化问题始终是我国现代化建设进程中必须处理好的一个重大问题，也决定了防沙治沙工作始终是关系经济社会可持续发展全局的一项重要工作。风洞实验是风沙迁移研究的基本手段，其研究结果是防风治沙工作的理论基础，具有重要的实践意义。

大气边界层风洞(Atmospherical Boundary Layer Wind-tunnel,ABL Wind-tunnel)是用来模拟大气边界层内空气流动状态的一类风洞，其最早被用于研究污染物扩散问题，进而在环境、建筑、汽车、化工、机械等领域得到了广泛应用。ABL风洞在风沙迁移研究中的应用最早可追溯到上世纪40年代，Bagnold和Chepil等利用边界层风洞开展了风沙运动和土壤侵蚀的实验研究。

目前风洞的研究常限于对风洞内定常风速流场的模拟，但是野外阵风为无规律随机变化的非定常湍流，有大尺度结构的非定常特征和小尺度结构的高频脉动特性，因此，定常风的模拟并不能全面反应出空气流动状态以及流动特性。

发明内容

为了克服现有技术所存在的不足，本发明提供了一种能够克服风机惯性影响、能够在高流速的前提下实现风洞内风速的非定常变化，模拟过程简单且对大气边界层空气流动状态以及流动特性的研究提供参考意义的大气边界层风洞内非定常风的模拟方法。

本发明实现上述目的所采用的技术方案是：

该大气边界层风洞的非定常风的模拟方法由以下步骤实现：

(1)在风洞的进风端和出风端设置有多台与变频器连接的风机，进风端的送风风机与出风端的吸风风机串联，在风洞的试验段中部自上而下纵向梯度分布多个热线探头，用于检测风洞内的风速廓线分布；

(2)通过改变变频器的电流频率，在不同频率下测量多台风机同时运行时的风速，标定吸风风机和送风风机的变频器频率变化与风速跟随性响应曲线，拟合得到频率变化与风速跟随性响应关系为：u＝F(f_m)，u表示风速，f_m表示变频器的频率值；

(3)根据步骤(2)的标定结果，通过组态王软件控制调节变频器频率实现风机的恒定风速、正弦风速的调节，并对变频器的运转实现监控；

(4)对步骤(3)变频器的频率值变化进行修正，调整多台风机叠加时吸风风机与送风风机的正弦风速周期、幅值的差异以及相位角变化叠加，使风洞内生成的阵风能量谱分布符合柯尔莫哥洛夫的-5/3次方律，即可模拟得到非定常风。