[发明专利]一种基于风洞的龙卷风模拟器、其运行方法及其所得龙卷风模型

说明书

本发明公开一种基于风洞的龙卷风模拟器、其运行方法及其所得龙卷风模型，风塔为筒体结构，安装在风洞实验段上壁外侧；风塔主要包括整流装置和导流装置；整流装置包括整流罩和蜂窝器；整流罩内部安装电机和风扇转子；通过改变电机的转速调节流场的雷诺数；导流装置主要是产生涡旋风场的导流板；蜂窝器与电机的轴线平行；升降台安装在风洞实验段上下洞壁之间，通过升降台的上下移动调节流场的高度，进而调节流场的高宽比；通过升降台上表面的平动机构实现被试验模型与龙卷风的平动效果。本发明结构紧凑、安装使用方便，能够更好地模拟自然界不同情况下的龙卷风。

技术领域

本发明涉及一种龙卷风模拟器，尤其涉及基于风洞的实验室用龙卷风模拟器。

背景技术

龙卷风是一种极端天气现象，它具有极大的破坏力。目前，对于龙卷风风场特性研究主要有风场实测、理论分析、实验室物理模拟和数值模拟等方法，而实验室物理模拟装置大多数都是基于Ward型模拟系统的原理建造。Ward型模拟系统能够模拟多种类似龙卷风的涡旋风场，但该系统无法考虑龙卷风的水平移动。Haan等在Ward研究基础上，改进了Ward型模拟系统，将风机以及导流板都安装在模拟器顶部，并通过移动台架来模拟龙卷风的水平运动，试验数据得到了多普勒实测数据的验证。王锦等基于Haan型模拟系统建造了TVS龙卷风模拟器，该模拟器能够在水平方向上移动，最大移动速度只能达到0.4m/s。现有的龙卷风模拟装置普遍存在移动速度小及应用领域窄问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种应用范围广、安装使用方便、移动速度调整范围大的龙卷风模拟器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于风洞的实验室用龙卷风模拟器，主要包括风洞、风塔、导流板、电机、整流罩、风扇转子、蜂窝器和升降台；

其中，风塔整体为筒体结构(外径R₁，内径R₂)，安装在风洞实验段上壁外侧；

风塔主要包括整流装置和导流装置；整流装置包括整流罩和蜂窝器；整流罩内部安装提供风源的电机和风扇转子；导流装置主要是产生涡旋风场的导流板；导流板与塔体法线的夹角为θ，θ的范围20～60度，通过调节θ的大小实现调节流场的涡流比；通过改变电机的转速实现调节流场的雷诺数；蜂窝器用于整流，与电机的轴线平行。

升降台安装在风洞实验段上下洞壁之间，通过升降台的上下移动调节流场的高度，从而实现调节流场的高宽比。通过升降台上表面的平动机构实现被试验模型与龙卷风的平动效果。当龙卷风模拟器工作时，升降台处于实验设置高度；当模拟器不工作时，升降台可调至与风洞实验段下底壁。

利用气压梯度力、惯性离心力和黏性力三力相平衡的大气动力和热力学方程组，获得龙卷风的三维速度场的数学模型如下式：

x(t)＝R₃e^-atcos bt

y(t)＝R₃e^-atsin bt

z(t)＝-2at

其中，a为涡流比，R₃为龙卷风的初始半径，H为流场的高度，H＝(H₁-H₃)+(H₂-H₄)，θ为导流板方向角度，b为龙卷风旋转角速度。

本发明结构紧凑、安装使用方便，借助本发明的龙卷风模拟器能模拟气流的最大移动为30m/s的龙卷风，调整范围大；能够更好地模拟自然界不同情况下的龙卷风。

附图说明

图1为本发明基于风洞的实验室用龙卷风模拟器的结构示意图；

图2为图1的俯视图；