[发明专利]一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，属于风能模拟实验技术领域，应用于风力发电、建筑、交通等行业。

背景技术

在新能源领域，风能是一种清洁的、可再生的、储量很大的能源,风力发电是具有大规模发展潜力的成熟的可再生能源技术。风力机及发电机系统是风能转化成电能的必要设备，风机结构、桨叶翼型、风力发电系统等机组或部件的开发测试与样机验证，都要用到自然风模拟装置，作为实验测试设备。

在交通行业中，汽车、轨道交通、风机等运输设备在样机开发中，需要在自然风速条件下测试其性能参数。风洞通常是必要的测试环境，自然风模拟装置是这类风洞中关键设备。

在建筑行业，高层建筑和高耸结构，如烟囱、电视塔等，对风载荷很敏感。方案论证中通常需要做物理模拟测试，风速物理模拟装置可以为建筑方案论证提供物理实验的必要设备。

目前，模拟自然风的风速大小和方向两个参数的风速模拟装置已有专利和论文，应用范围限于风速传感器的测试与标定等。实际上，自然风作为具有一定动能的一种物质，风速大小和方向只是描述其基本特性的两个参数，还有风的脉动特性，时程特性，随机分布特性等重要特性。模拟这些重要特性的手段，目前主要是数字模拟，即应用计算机仿真方法，数字计算模拟出自然风的这些特性，这方面已有许多论文报道，属于自然风的虚拟形态模拟。而从物理层面模拟自然风的这些特性的物理装置，无论专利还是论文均未见报道。目前国内外建立的风洞是自然风的一种很好的模拟手段，但是占地空间巨大，耗资巨大，运行费用很高。

发明内容

本发明公开了一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，空间开放，可以有效克服现有的自然风模拟装置存在的空间封闭、不能适应大功率风机等大型装置的实物测试、占地空间巨大、造价巨大等问题。

本发明技术方案是这样实现的：

一种安装在实验室或自然环境中的自然风物理模拟装置，包括：鼓风机、可变形风筒、旋转平台、风特性控制器、支架、圆盘轴承和计算机。所述的鼓风机安装在可变形风筒内，可变形风筒安装在旋转平台的圆盘轴承上，鼓风机通过圆盘轴承与支架连接，圆盘轴承与旋转平台电机连接，旋转平台电机旋转拖动鼓风机旋转；可变形风筒电机、鼓风机电机和旋转平台电机均由风特性控制器控制，计算机内置自然风模拟软件，风特性控制器与计算机之间采用RS233/RS485接口通信。

所述的鼓风机包括：风力机、直流电机、和直流电机驱动器，鼓风机整体固定在可变形风筒固定端上，直流电机的电机轴与风力机连接，直流电机拖动风力机旋转产生风。直流电动机电源进线与该直流电机的驱动器连接。鼓风机在风特性控制器的控制下，风的动能、风的随机特性、时程特性、脉动特性是根据特定模型的随机过程特性曲线运动，从而使鼓风机吹出来的风具有自然风的特性。

所述的可变形风筒，用于与鼓风机配合改变风量大小和风的种类，由风特性控制器来的控制信号控制可变形风筒的电机，电机驱动可变性风筒的机械结构运动，改变可变形风筒内部形状和截面面积大小，与鼓风机风速大小配合，产生不同等级的风，按气象学分类为十二级；可变形风筒共有五个电机，四个安装在可变形风筒上、下、左、右方位，一个安装在出风方向；五个电机均是交流伺服电动机，每个交流伺服电动机配有交流伺服驱动器。

所述的旋转平台，它由旋转平台电机、圆盘轴承、支架组成，用于改变风的方向；旋转平台电机配有交流伺服驱动器。旋转平台电机定位精度为0.01度，拖动可变形风筒到任意角度，因此，可模拟出360度角的任意方位角度的风。

所述的风特性控制器，用于为鼓风机、可变形风筒的电机和旋转平台电机的驱动器提供控制信号，控制信号为标准0-5V直流信号；其中，给鼓风机的信号一个，给可变形风筒的信号五个，给旋转平台电机的信号一个。

所述的计算机内置自然风模拟模型软件，用于产生风的特性信号，并把风特性信号分解成几个控制信号，以数据格式方式传输给风特性控制器，由风特性控制器把这些数字信号转换成标准的0-5V信号。