CN109646962B

CN109646962B - 一种直流式娱乐风洞排气结构

Info

Publication number: CN109646962B
Application number: CN201811592761.5A
Authority: CN
Inventors: 王骁原; 薛欣欣; 倪招勇; 崔春
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2038-12-25
Also published as: CN109646962A

Abstract

一种直流式娱乐风洞排气结构，包括：第二扩散段、拐角段、排气段；第二扩散段入口连接飞行体验段出口，第二扩散段入口至出口设置一定的扩张角对进入扩散段的气流进行减速；拐角段的入口连接第二扩散段的出口，拐角段内部均匀布置导流板，改变第二扩散段出口的气流方向，减小气流的流动分离导致的压力损失，将第二扩散段出口的气流均匀导流至拐角段的出口；拐角段的出口连接排气段的入口，排气段的出口连接外界大气(经过排气结构多次降低气流流速，在排气段的出口减小了气流的动压损失)，排气段在水平方向小角度扩张降低流速，排气段内部安装有两组竖直放置的腹板，在排气时减少流动分离导致的压力损失。

Description

一种直流式娱乐风洞排气结构

技术领域

本发明涉及一种直流式娱乐风洞排气结构，属于娱乐风洞排气技术领域。

背景技术

极限运动正成为一种新的潮流，跳伞娱乐风洞的出现，引起了室内跳伞的热潮。跳伞娱乐风洞由立式风洞发展而来，利用垂直上升气流产生的阻力抵消人体重力，体验者可以通过改变姿势来做出下落、悬浮、上升等动作。目前跳伞娱乐风洞主要有直流式、单回流式、双回流式三种型式。

直流式娱乐风洞的飞行体验段(试验段)出口直接与外界相连，动力系统布置在下方，根据使用情况不同，有的动力系统直接布置在飞行体验段入口正下方，直接垂直向上供气；有的动力系统布置在飞行体验段下方两侧，从两侧水平进气，经导流段后气流垂直向上。直流式娱乐风洞一般属于简易式风洞，受动力系统、整体尺寸和结构型式的限制，飞行体验段直径通常不超过2m，极限在2.2m左右，设计飞行高度3～4m，风速一般在45～50m/s，对体验者的身高体重都有限制，往往只能满足体型较小的消费者。

市场上现有的直流式娱乐风洞通常在飞行体验段出口布置一层防护网，并直接与大气连接。气流经过防护网会有很大的静压损失，而且直接排向大气时流速较高，也会造成很大的动压损失，因此，在这种设计下，风洞出口处的总压损失极大(1500～2000Pa)。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种直流式娱乐风洞排气结构，提升风洞性能和效率，减少直流式娱乐风洞出口处的总压损失，可以将总压损失降低到以往设计的30％～50％，还能使风洞在雨雪天气同样可以运营。

本发明解决的技术方案为：一种直流式娱乐风洞排气结构，包括：第二扩散段、拐角段、排气段；

第二扩散段入口连接飞行体验段出口，第二扩散段入口至出口设置一定的扩张角对进入扩散段的气流进行减速；

拐角段的入口连接第二扩散段的出口，拐角段内部均匀布置导流板，改变第二扩散段出口的气流方向，将第二扩散段出口的气流均匀导流至拐角段的出口，并有效减小气在流改变方向时发生流动分离导致的压力损失；

拐角段的出口连接排气段的入口，排气段的出口连接外界大气环境(经过排气结构多次降低气流流速，在排气段的出口减小了气流的动压损失)，排气段在水平方向小角度扩张降低流速，排气段内部安装有两组竖直放置的腹板，在排气时减少流动分离导致的压力损失。

飞行体验段为下部为等直段，上部为第一扩散段，等直段与第一扩散段封闭连接，飞行体验段底部设有风机，为飞行体验段提供升力，飞行体验段顶部为出口。

第二扩散段，入口为圆形，出口为正方形；

第二扩散段入口到出口扩张角不大于5°，出口与入口面积比不大于2。

考虑结构刚度和强度，第二扩散段的壁厚为8mm。

考虑风洞的运营环境、加工成本、结构强度、密封性、承受内压的能力强等因素，第二扩散段的材质为钢结构。

拐角段，包括：一个入口、两个出口，入口为正方形，与第二扩散段的形状、尺寸匹配；出口为矩形，出于流量守恒和流速控制的考虑，拐角段出口的长边边长与拐角段入口的正方形的边长相同，拐角段出口的短边边长是拐角段入口的正方形的边长的一半。

考虑结构刚度和强度，拐角段的壁厚为8mm。

考虑风洞的运营环境、加工成本、结构强度、密封性、承受内压的能力强等因素，拐角段的材质为钢结构。

拐角段设置有导流板，主要用于气流换向时减少气流因流动分离、回流等现象导致的流动损失，优选方案为根据娱乐风洞运行时的压力和风速等条件(优选总压800～1400Pa，风速45～80m/s)，导流板的优选方案为尺寸设定为：圆心角度为90～100°，内圆直径为450～600mm，长度为1000～1300mm，厚度5～8mm，两个导流板安装间距为200～300mm，安装角度与水平成45°角。拐角段内部一共优选布置不少于12组导流板，每侧不少于6组，两侧对称分布。拐角段内有四片竖直放置的腹板，每侧2～3片。单个导流板通过焊接方式安装在拐角段与腹板之间或两个腹板之间，每3～4片导流板为一组。

排气段，入口为矩形，出口为梯形。入口尺寸与拐角段出口尺寸相匹配，优选方案为出口梯形面积与入口矩形面积比不能大于2。为了避免气流在排气段中因流动通道突然变大而发生分离，优选方案为每侧排气段内布置有2～3片腹板，与拐角段腹板焊接。由于排气段内部加装了腹板，起到了一定的整流作用，优选方案为水平方向扩张角的上限提高到15°，梯形上下两底相对于入口的扩张角相同，优选方案为排气段顶侧要比底侧在水平方向上更长，两者相差800～1200mm，这种设计一方面可以避免露天环境雨雪天气条件下运营时出现积水，另一方面也可以避免气流出现粘性分离现象。优选方案为梯形下底长4100～4300mm，上底长4400～4600mm，高1900～2100mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明第二扩散段入口连接飞行体验段出口，并在飞行体验段的扩散段部分扩张角基础上，加大扩张角，对气流进行减速，而且这种分段扩散的设计可以保证气流在减速过程中不会出现因扩张角过大而导致的分离和回流，同时还能实现有效降低出口速度的目的。

(2)本发明拐角段内部均匀布置经过特殊设计的导流板，在改变第二扩散段出口的气流方向的同时，减小气流的流动分离导致的压力损失。

(3)本发明排气段内部安装有两组竖直放置的腹板，在排气时减少流动分离导致的压力损失。

(4)排气段顶侧长于底侧，一方面可以避免雨天积水，另一方面可以避免气流的粘性分离。

(5)本发明排气段的出口连接外界大气，经过排气结构多次降低气流流速，在排气段的出口减小了气流的动压损失。

附图说明

图1为本发明直流式娱乐风洞排气结构的平面结构图；

图2为本发明直流式娱乐风洞排气结构的立体结构图；

图3为本发明拐角段导流板结构图；

图4为本发明排气段腹板布置结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

娱乐风洞是一种由多个子部件构成的大型娱乐设备。通常的直流式娱乐风洞由动力段、体验段和多个气流过渡段组成，动力段布置在风洞底部，经由一系列过渡段在体验段产生竖直向上的气流，对体验者产生向上的升力，使体验者实现悬浮来模拟高空跳伞。直流式娱乐风洞的体验段出口通常直接连接大气环境，总压损失较大，本发明设计的排气结构连接在体验段出口，在对体验段出来的气流进行多次减速、换向处理后再排向大气，这样可以有效降低风洞的总压损失，提高风洞性能，降低运营成本。

本发明一种直流式娱乐风洞排气结构，包括：第二扩散段、拐角段、排气段；第二扩散段入口连接飞行体验段出口，第二扩散段入口至出口设置一定的扩张角对进入扩散段的气流进行减速；拐角段的入口连接第二扩散段的出口，拐角段内部均匀布置导流板，改变第二扩散段出口的气流方向，减小气流的流动分离导致的压力损失，将第二扩散段出口的气流均匀导流至拐角段的出口；拐角段的出口连接排气段的入口，排气段的出口连接外界大气(经过排气结构多次降低气流流速，在排气段的出口减小了气流的动压损失)，排气段在水平方向小角度扩张降低流速，排气段内部安装有两组竖直放置的腹板，在排气时减少流动分离导致的压力损失。

本发明一种直流式娱乐风洞排气结构，包括：第二扩散段、拐角段、排气段，如图1、图2所示。

表1部件编号表

编号	名称
		1	扩散段
2	拐角段
		3	排气段

拐角段的入口连接第二扩散段的出口，拐角段内部均匀布置导流板，如图3所示，改变第二扩散段出口的气流方向，将第二扩散段出口的气流均匀导流至拐角段的出口，并有效减小气在流改变方向时发生流动分离导致的压力损失；

拐角段的出口连接排气段的入口，排气段的出口连接外界大气环境(经过排气结构多次降低气流流速，在排气段的出口减小了气流的动压损失)，排气段在水平方向小角度扩张降低流速，排气段内部安装有两组竖直放置的腹板，如图4所示，在排气时减少流动分离导致的压力损失。

飞行体验段由下部的等直段和上部的第一扩散段组成，等直段与第一扩散段封闭连接，飞行体验段底部设有风机，为飞行体验段提供垂直向上气流，飞行体验段顶部为出口。

第二扩散段的入口为圆形，出口为正方形，为了避免流动分离，理论上入口到出口扩张角应不大于5°，出口与入口面积比不大于2。第二扩散段在第一扩散段扩张角的基础上再次进行扩张，绝对扩张角虽然大于5°，但相对扩张角小于5°，这样既可以更快、更有效地减速气流，也能避免扩张角过大导致的流动分离。同时，考虑风洞的运营环境、加工成本、结构强度、密封性、承受内压的能力强等因素，第二扩散段采用钢结构，壁厚为8mm。

排气结构的拐角段包括一个入口和两个出口。入口为正方形，与第二扩散段出口的形状、尺寸匹配；出口为矩形，出于流量守恒和流速控制的考虑，拐角段出口的长边边长与拐角段入口的正方形的边长相同，拐角段出口的短边边长是拐角段入口的正方形的边长的一半。考虑风洞的运营环境、加工成本、结构强度、密封性、承受内压的能力强等因素，拐角段的材质为钢结构，壁厚为8mm。

此外，拐角段内部设置有导流板，可在气流换向时减少气流因流动分离、回流等现象导致的流动损失，根据娱乐风洞运行时的压力和风速等条件(总压800～1400Pa，风速45～80m/s)，经过计算，导流板的尺寸设定为：圆心角度为90～100°，内圆直径为450～600mm，长度为1000～1300mm，厚度5～8mm，两个导流板安装间距为200～300mm，安装角度与水平成45°角。拐角段内部一共需要布置不少于12组导流板，每侧不得少于6组导流板，两侧对称分布。拐角段内有四片竖直放置的腹板，每侧2～3片。单个导流板通过焊接方式安装在拐角段与腹板之间或两个腹板之间，每3～4片导流板为一组。

本发明的排气段，入口为矩形，出口为梯形。入口尺寸与拐角段出口尺寸相匹配，出口梯形面积与入口矩形面积比不能大于2。为了避免气流在排气段中因流动通道突然变大而发生分离，每侧排气段内布置有2～3片腹板，与拐角段腹板焊接。由于排气段内部加装了腹板，起到了一定的整流作用，水平方向扩张角的上限提高到15°，梯形上下两底相对于入口的扩张角相同，排气段顶侧要比底侧在水平方向上更长，两者相差800～1200mm，这种设计一方面可以避免露天环境雨雪天气条件下运营时出现积水，另一方面也可以避免气流出现粘性分离现象。梯形下底长4100～4300mm，上底长 4400～4600mm，高1900～2100mm。

本发明排气段的出口连接外界大气，经过排气结构多次降低气流流速，在排气段的出口减小了气流的动压损失。

因为第二扩散段入口连接飞行体验段中第一扩散段出口，因此其尺寸需要根据飞行体验段的尺寸而定，但相对扩张角不能超过5°，第二扩散段出口与入口面积比不能大于2，同时，为了有效地降低气流速度，要保证气流速度能够降低30％以上，压力损失系数不大于0.04。

如图3所述，导流板的尺寸设定为：圆心角度为90～100°，内圆直径为 450～600mm，长度为1000～1300mm，厚度5～8mm，两个导流板安装间距为 200～300mm，安装角度与水平成45°角。拐角段内部一共需要布置不少于12 组导流板，每侧不得少于6组导流板，两侧对称分布。拐角段内有四片竖直放置的腹板，每侧2～3片。单个导流板通过焊接方式安装在拐角段与腹板之间或两个腹板之间，每3～4片导流板为一组。导流板的设计要保证压力损失系数不大于0.35。

如图4所述，排气段入口尺寸与拐角段出口尺寸相匹配，出口梯形面积与入口矩形面积比不能大于2。为了避免气流在排气段中因流动通道突然变大而发生分离，每侧排气段内布置有2～3片腹板，与拐角段腹板焊接。由于排气段内部加装了腹板，起到了一定的整流作用，水平方向扩张角的上限提高到15°，梯形上下两底相对于入口的扩张角相同，排气段顶侧要比底侧在水平方向上更长，两者相差800～1200mm，这种设计一方面可以避免露天环境雨雪天气条件下运营时出现积水，另一方面也可以避免气流出现粘性分离现象。梯形下底长4100～4300mm，上底长4400～4600mm，高1900～2100mm。排气段的压力损失系数不能大于0.02。

设第二扩散段入口面积为A₁，出口面积为A₂，相对扩张角为α，摩擦阻力系数为λ，气体雷诺数为Re。为了进一步降低风速并减少静压损失，则满足以下优选关系：

设拐角段宽度为b，拐角段中单侧导流板数量为n，导流板半径为r，则拐角段参数应满足以下优选关系：

0.9(r/b)^-1≤n≤2.13(r/b)^-1

而出于加工成本和加工难度考虑，建议选用薄片式导流板，则

0.1≤r/b≤0.4

设排气段入口面积为B₁，出口面积为B₂，底板长度为L，出口水力直径为D，因排气段内有两块竖直放置的腹板，起到整流作用，两块腹板均按照一定的扩张角度安装，将排气段分割为三个扩散段，设三个扩散段的扩张角分别为θ₁、θ₂和θ₃，为了减少排气时的静压损失和摩擦损失，并进一步降低风速，则参数要满足以下优选关系：

θ₁,θ₂,θ₃≤5°

三个分部件之间采用焊接方式连接，因此需要注意出口与入口之间的尺寸匹配。此外，为了能够有效减速，要保证排气段出口总面积B与第二扩散段入口总面积A满足以下优选关系：

本发明的排气结构工作流程为：气流经过增压加速后进入飞行体验段，为体验者提供升力。气流从飞行体验段出口流出，进入第二扩散段，入口速度为V₁，出口速度为V₂，在设计上要保证V₂/V₁≤0.7。

在流过第二扩散段后，气流从第二扩散段出口进入拐角段，在拐角段内导流板的作用下，流动方向从竖直改为水平并均匀等分成两股气流流向对称布置的排气段，在拐角段入口气流静压为P₁，在拐角段出口处气流静压为P₂，在导流板的设计上，要保证P₂/P₁≥0.65。

最后，两股气流分别从拐角段左右两个出口流入左右两个排气段，并经过排气段的再次减速，排向大气。

本发明的气动轮廓在设计过程中经过多轮工程核算以及数值仿真工作，根据仿真计算结果对气动轮廓在控制压力损失方面做了多轮优化，最终选定该方案。对比从飞行体验段向大气环境直接排气的设计，该设计方案可以将压力损失降低至直接排气设计方案压损的40％左右。以飞行体验段风速为 65m/s为例，使用本发明的排气结构，可以降低压力损失1000Pa，且风速越高，降低压损效果越明显。这种优化功能可大大降低对风机的要求，节约了建设成本，同时还降低了运营成本。

本发明说明书未详细说明的内容为本领域公知常识。

Claims

1.一种直流式娱乐风洞排气结构，其特征在于包括：第二扩散段、拐角段、排气段；

拐角段的出口连接排气段的入口，排气段的出口连接外界大气环境，排气段在水平方向小角度扩张降低流速，排气段内部安装有两组竖直放置的腹板，在排气时减少流动分离导致的压力损失；

第二扩散段入口到出口扩张角不大于5°，出口与入口面积比不大于2；

拐角段，包括：一个入口、两个出口，入口为正方形，与第二扩散段的形状、尺寸匹配；出口为矩形，根据流量守恒和流速控制要求，拐角段出口的长边边长与拐角段入口的正方形的边长相同，拐角段出口的短边边长是拐角段入口的正方形的边长的一半；

拐角段设置有导流板，用于气流换向时减少气流因流动分离、回流现象导致的流动损失；

排气段，入口为矩形，出口为梯形,入口尺寸与拐角段出口尺寸相匹配；

拐角段内有四片竖直放置的腹板，每侧2～3片，单个导流板通过焊接方式安装在拐角段与腹板之间或两个腹板之间；

排气段顶侧要比底侧在水平方向上更长，两者相差800～1200mm，这种设计一方面避免露天环境雨雪天气条件下运营时出现积水，另一方面也避免气流出现粘性分离现象，梯形下底长4100～4300mm，上底长4400～4600mm，高1900～2100mm。

2.根据权利要求1所述的一种直流式娱乐风洞排气结构，其特征在于：飞行体验段为下部为等直段，上部为第一扩散段，等直段与第一扩散段封闭连接，飞行体验段底部设有风机，为飞行体验段提供升力，飞行体验段顶部为出口。

3.根据权利要求1所述的一种直流式娱乐风洞排气结构，其特征在于：第二扩散段，入口为圆形，出口为正方形。

4.根据权利要求1所述的一种直流式娱乐风洞排气结构，其特征在于：考虑结构刚度和强度，第二扩散段的壁厚为8mm。

5.根据权利要求1所述的一种直流式娱乐风洞排气结构，其特征在于：第二扩散段的材质为钢结构。

6.根据权利要求1所述的一种直流式娱乐风洞排气结构，其特征在于：拐角段的壁厚为8mm～10mm。

7.根据权利要求1所述的一种直流式娱乐风洞排气结构，其特征在于：拐角段的材质为钢结构。