[发明专利]一种龙卷风试验入口攻角智能调控装置及方法

说明书

本发明公开了一种龙卷风试验入口攻角智能调控装置及方法，属于结构风工程试验设备领域，装置包括主控计算机、攻角调控装置、入口风速测试模块以及龙卷风模拟器内部PIV模块，其中，所述主控计算机与攻角调控装置、入口风速测试模块以及龙卷风模拟器内部PIV模块之间采用无线连接传输数据；主控计算机实时接收PIV模块提供的龙卷风模拟器内部风场结构参数，基于风场特征参数解析算法分析内部风场的实际攻角，并通过机器学习优化算法进行入口攻角的自主优化分析，将攻角调控量传输至攻角调控装置，从而实现目验龙卷风试验入口攻角精准调控。

技术领域

本发明涉及结构风工程领域，具体涉及一种龙卷风试验入口攻角智能调控装置及方法。

背景技术

风灾是我国最严重的自然灾害之一，数千公里的大陆海岸线均暴露在太平洋台风的袭击范围之内，此外，我国幅员辽阔，气象环境复杂多变，常发生龙卷风、下击暴流等特异风灾害。其中，龙卷风是地球大气中最猛烈的对流风暴，其近地面最大风速可达170m/s，破坏力极强，常导致大量工程结构发生破坏甚至倒塌，造成重大人员伤亡和经济损失。2016年江苏省盐城市阜宁县发生EF4级龙卷（地面最大阵风风速达74-89 m/s），导致99人死亡、800多人受伤，倒塌房屋3000多间，道路受阻，通讯、电网等基础设施严重损毁。据统计，1991年至2014年，我国平均每年发生龙卷风43次，其中江苏和广东龙卷风发生次数最多，极易受龙卷风袭击。然而，江苏和广东作为我国两大经济重心省份，人员及基础设施分布相对密集，更易受龙卷风灾害侵袭。因此，为保障龙卷风多发区大量基础设施的安全，亟需研究龙卷风作用下工程结构的安全性能，为工程结构抗龙卷风灾设计和运维提供科学指导依据。

目前，龙卷风研究主要有现场实测、数值模拟、试验研究等几种手段，其中，由于龙卷风尺度小、破坏力强、预报难度高等特点，现场实测的施行往往需要高昂的成本，且难以获得风场核心区的有效数据。近年来，随着计算机性能的提升，采用数值模拟方法研究龙卷风已成为主要趋势，基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法，可模拟龙卷风对结构的作用效应，从而指导工程实践。然而，CFD方法仍然不够成熟，且模拟结果的准确性验证有待商榷。因此，试验研究是目前工程结构龙卷风效应分析最可靠和有效的方法，同时也可以对计算流体力学的结果进行验证，对现场实测的结果进行反演和解释。

龙卷风试验研究主要利用龙卷风模拟器生成人造缩尺风场，将工程结构物理模型置于风场中，并开展结构模型龙卷风效应测试与分析，从而指导工程实践。龙卷风模拟器是龙卷风试验研究的核心和关键，目前，世界上代表性的有美国Ward龙卷风模拟器、美国ISU龙卷风模拟器、加拿大WindEEE龙卷风模拟器等。以常用的Ward型为例，装置入流区采用格栅调节风偏角即可实现气流在装置内的旋转，从而形成人造龙卷风。然而，已有数值模拟研究表明，入流区风攻角对龙卷风场具有较大影响，现有试验装置入流区仅可控制气流水平偏角，忽略了自然龙卷风场中入流区风攻角这一重要因素。因此，亟需一种攻角反馈调控方法及相应的辅助装置，用于调节龙卷风模拟器入流区的气流攻角，使得试验中可更真实地模拟龙卷风，从而使工程结构龙卷风效应试验结果更加准确。

发明内容

为解决龙卷风试验研究中不能控制入流攻角的问题，采用一种龙卷风试验入口攻角智能调控装置及方法，以实现龙卷风试验中入流区气流攻角的精准智能调节，从而使试验结果更加真实可靠。

技术方案：为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段：

一种龙卷风试验入口攻角智能调控装置，包括：

主控计算机、攻角调控装置、入口风速测试模块以及龙卷风模拟器内部PIV模块，其中，所述主控计算机与攻角调控装置、入口风速测试模块以及龙卷风模拟器内部PIV模块之间采用无线连接传输数据；

所述攻角调控装置包括：入流外延段，包括多个，多个所述入流外延段环形布置于龙卷风模拟器入流区的外围，每个入流外延段内均设有：