一种龙卷风与下击暴流一体化物理模拟装置
阅读说明：本技术 一种龙卷风与下击暴流一体化物理模拟装置 (Tornado and downburst integrated physical simulation device ) 是由 胡传新 代兵 管文松 张超凡 刘济凡 刘毅凡 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种龙卷风与下击暴流一体化物理模拟装置,包括：模拟架；发生器,发生器包括龙卷风发生器和下击暴流发生器,龙卷风发生器和下击暴流发生器均设置在模拟架上,龙卷风发生器和/或下击暴流发生器能够移动；移动机构,移动机构设置在模拟架上且位于发生器的下方,移动机构至少具有四自由度。本发明得到不同形态、移动速度、移动路径、范围更广等特点的龙卷风和下击暴流,模拟出更加贴近与自然界中真实的龙卷风以及下击暴流；能够模拟龙卷风及下击暴流耦合状态下有角度且移动状态的风场特性,更加贴近于实际的情况；实现龙卷风和下击暴流两种模拟实验在短时间内的切换,减少了单独进行两种模拟实验的时间成本和经济成本。(The invention discloses a tornado and downburst integrated physical simulation device, which comprises: a simulation frame; the generator comprises a tornado generator and a downburst generator, the tornado generator and the downburst generator are both arranged on the simulation frame, and the tornado generator and/or the downburst generator can move; the moving mechanism is arranged on the simulation frame and positioned below the generator, and the moving mechanism at least has four degrees of freedom. The method obtains tornadoes and downburst flows with different shapes, moving speeds, moving paths, wider ranges and the like, and simulates true tornadoes and downburst flows which are closer to the nature; the wind field characteristics of an angle and a moving state under the coupling state of tornadoes and downdraught currents can be simulated, and the wind field characteristics are closer to the actual situation; the switching of two simulation experiments of tornado and downburst is realized in a short time, and the time cost and the economic cost for independently carrying out the two simulation experiments are reduced.)
技术领域
本发明涉及一种模拟设备，尤其涉及一种龙卷风与下击暴流一体化物理模拟装置。
背景技术
龙卷风等强对流极端天气具有作用范围小、持续时间短、作用强度大的特点，是自然灾害中发生最为频繁、破坏力最为巨大的灾害之一。由于我国龙卷风发生区人口密集，且龙卷风预警系统及抗灾设施基础较薄弱。因此，从人员伤亡数量、房屋损毁程度等指标看，龙卷风对我国的影响很大，且发生频次随全球气候变暖有逐年增多趋势。下击暴流是一股在地面或近地面附近引起辐射型灾害性大风的强烈下沉气流，它一般产生于雷暴云中，气流冲向地面辐射后会产生地面上水平风速超过18m/s的破坏性与灾害性强风，下击暴流的发生会对航海以及飞机造成灾难性的影响。
针对上述龙卷风以及下击暴流极端天气对于给人民生命财产安全和社会安全稳定造成巨大威胁，亟需开展龙卷风以及下击暴流的环境及其对工程结构作用效应研究。由于下击暴流具有突发性和强破坏性的特点，龙卷风有着突发性强、水平尺度小、持续时间短、移动速度快等特点，故对于自然界龙卷风和下击暴流风场特性的现场实测研究很困难。相对于现场实测，试验模拟研究具有高安全性、高重复率等优点。而相较于数值模拟，可靠性更高。因此，采用物理模拟器生成龙卷风和下击暴流并研究其风场特性，成为认识、研究龙卷风特性及其对工程结构作用效应的重要手段。
目前，针对自然条件下的真实龙卷风以及下击暴流的物理实验模拟，虽然出现了模拟器，但是现有模拟器存在以下问题：(1)自然条件下的龙卷风形态多端，可能会出现斜龙卷风，斜下击暴流以及变速随机运动下的龙卷风和下击暴流，且龙卷风以及下击暴流的移动轨迹无规律，移动范围较广，现有的模拟器在进行模拟实验时，仅可控制平板处于水平状态下，且在水平面内实现二维有限范围内的平动；(2)现有模拟器在进行实验时，仅能模拟出单个极端天气发生时的风场特性，无法模拟出实际情况中龙卷风以及下击暴流耦合状态下的风场特性；(3)现有的模拟器在短时间内只可进行一种模拟实验，且单独构造模拟器的经济成本以及切换进行模拟实验时所花费的时间成本很高。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种龙卷风与下击暴流一体化物理模拟装置。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种龙卷风与下击暴流一体化物理模拟装置，包括：
模拟架；
发生器，所述发生器包括龙卷风发生器和下击暴流发生器，所述龙卷风发生器和下击暴流发生器均设置在所述模拟架上，所述龙卷风发生器和/或下击暴流发生器能够移动；
移动机构，所述移动机构设置在所述模拟架上且位于所述发生器的下方，所述移动机构至少具有四自由度。
作为本发明的进一步改进，所述下击暴流发生器位于所述龙卷风发生器的上方。
作为本发明的进一步改进，所述龙卷风发生器能够在水平面内作二维移动。
作为本发明的进一步改进，所述模拟架上设置有二维移动装置，所述二维移动装置包括第一Y轴移动机构、设置在所述第一Y轴移动机构上的第一X轴移动机构，所述龙卷风发生器设置在所述第一X轴移动机构上。
作为本发明的进一步改进，所述第一X轴移动机构包括两个第一滑道、沿两个所述第一滑道横向移动的第一滚轮组件以及安装在所述第一滚轮组件上的至少一个连接块，所述第一滚轮组件包括支撑件、安装在所述支撑件底端的至少两个第一滚轮，所述至少一个连接块分别与所述支撑件、龙卷风发生器相连接。
作为本发明的进一步改进，所述下击暴流发生器能够在水平面内作二维移动。
作为本发明的进一步改进，所述模拟架上设置有二维移动机构，所述二维移动机构包括第二Y轴移动机构、设置在所述第二Y轴移动机构上的第二X轴移动机构，所述下击暴流发生器设置在所述第二X轴移动机构上。
作为本发明的进一步改进，所述第二X轴移动机构包括两个第二滑道、沿两个所述第二滑道横向移动的第二滚轮组件以及安装在所述第二滚轮组件上的至少一个侧板，所述第二滚轮组件包括支板、安装在所述支板底端的至少两个第二滚轮，所述至少一个侧板分别与所述支板、下击暴流发生器相连接。
作为本发明的进一步改进，所述移动机构具有六自由度。
作为本发明的进一步改进，所述移动机构包括第三X轴移动机构、设置在所述第三X轴移动机构上的移动组件，所述移动组件包括四个升降杆、设置在所述四个升降杆上的活动板，所述四个升降杆能够沿Y轴方向移动且能够沿Z轴方向升降。
本发明的有益效果是：
1、本发明设置的移动机构，不仅定位精度高，还能够实现在水平面上的无规则运动来模拟实际情况下龙卷风和下击暴流的无规则运动，也可改变移动机构的倾斜角度来形成不同形态的龙卷风和下击暴流，且移动机构的移动范围可根据需要自由设定，移动机构的移动速度的多元化以及六维空间无范围限定的转动，从而得到不同形态、移动速度、移动路径、范围更广等特点的龙卷风和下击暴流，模拟出更加贴近与自然界中真实的龙卷风以及下击暴流。
2、本发明设置的龙卷风发生器以及下击暴流发生器可以根据需要，通过对应的二维移动装置和二维移动机构改变其位置，使两发生器能够处于合适的距离，能够模拟处单独的龙卷风发生器风场特性、单独的下击暴流发生器风场特性、龙卷风及下击暴流耦合状态下有角度且移动状态的风场特性，更加贴近于实际的情况。
3、本发明的龙卷风发生器以及下击暴流发生器设置在同一模拟架上，减少了单独建造两个发生器的经济成本，并且可以在结束其中一个模拟实验之后，立刻进行另一个实验，实现两种模拟实验在短时间内的切换，减少了单独进行两种模拟实验的时间成本和经济成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的优选实施例的主视图；
图2为本发明的优选实施例的侧视图；
图3为本发明的优选实施例的俯视图；
图4为本发明的优选实施例的龙卷风发生器的内部结构示意图；
图5为本发明的优选实施例的下击暴流发生器的内部结构示意图；
图中：10、模拟架，20、龙卷风发生器，201、内筒，202、外筒，203、环形通道，204、第一风机，205、第一蜂窝器，206、导流板，30、下击暴流发生器，301、集气段，302、动力前段，303、风扇段，304、动力后段，305、稳定段，306、收缩段，307、第二蜂窝器，308、阻尼网，40、移动机构，400、第三X轴移动机构，402、升降杆，403、活动板，404、长条形孔，501、第一滑道，502、连接块，503、第一滚轮，504、支撑杆，505、第一丝杆机构，506、第一支撑板，601、第二滑道，602、侧板，603、支板，604、第二滚轮，605、第二丝杆机构，606、第二支撑板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1-图3所示，一种龙卷风与下击暴流一体化物理模拟装置，包括模拟架10；发生器，发生器包括龙卷风发生器20和下击暴流发生器30，龙卷风发生器20和下击暴流发生器30均设置在模拟架10上，龙卷风发生器20和/或下击暴流发生器30能够移动；移动机构40，移动机构40设置在模拟架10上且位于发生器的下方，移动机构40至少具有四自由度，移动机构40至少能够沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向平动，且同时能够绕X轴方向、Y轴方向或Z轴方向旋转。
在本实施例中，下击暴流发生器30位于龙卷风发生器20的上方，能够使得模拟架10的结构简单，便于安装，降低成本。由于龙卷风发生器20与下击暴流发生器30产生的风场是在各发生器对应的下方，为了避免龙卷风发生器20本身对下击暴流发生器30产生的风场的影响，同时为了避免下击暴流发生器30本身对龙卷风发生器20产生的风场的影响，下击暴流发生器30位于龙卷风发生器20的斜上方。
在本实施例中，龙卷风发生器20和下击暴流发生器30均能够移动，但并不局限于此种方式，也可以是龙卷风发生器20能够移动而下击暴流发生器30保持不动，或者是龙卷风发生器20保持不动而下击暴流发生器30能够移动。
为了便于龙卷风发生器20朝向下击暴流发生器30移动，快速实现模拟龙卷风发生器20与下击暴流发生器30耦合状态下的风场特性，本实施例优选龙卷风发生器20能够在水平面内作二维移动。
在一实施例中，模拟架10上设置有二维移动装置，二维移动装置包括第一Y轴移动机构、设置在第一Y轴移动机构上的第一X轴移动机构，龙卷风发生器20设置在第一X轴移动机构上。
具体地，第一X轴移动机构包括两个第一滑道501、沿两个第一滑道501横向移动的第一滚轮组件以及安装在第一滚轮组件上的至少一个连接块502，第一滚轮组件包括支撑件、安装在支撑件底端的至少两个第一滚轮503，至少一个连接块502分别与支撑件、龙卷风发生器20相连接。
更具体地，支撑件包括并排设置的两个支撑杆504，每个支撑杆504的底端安装有两个第一滚轮503，第一滚轮503沿着第一滑道501横向移动。更具体地，连接块502为中空的四方体，连接块502的上端与支撑杆504的底端相连接，连接块502的下端与龙卷风发生器20相连接。
在一具体实施例中，第一Y轴移动机构包括至少一个第一丝杆机构505、安装在至少一个第一丝杆机构505上的第一支撑板506，第一滑道501安装在第一支撑板506上。
为了便于下击暴流发生器30朝向龙卷风发生器20移动，快速实现模拟龙卷风发生器20与下击暴流发生器30耦合状态下的风场特性，下击暴流发生器30能够在水平面内作二维移动。
在一实施例中，模拟架10上设置有二维移动机构，二维移动机构包括第二Y轴移动机构、设置在第二Y轴移动机构上的第二X轴移动机构，下击暴流发生器30设置在第二X轴移动机构上。
具体地，第二X轴移动机构包括两个第二滑道601、沿两个第二滑道601横向移动的第二滚轮组件以及安装在第二滚轮组件上的至少一个侧板602，第二滚轮组件包括支板603、安装在支板603底端的至少两个第二滚轮604，至少一个侧板602分别与支板603、下击暴流发生器30相连接。
在一具体实施例中，第二Y轴移动机构包括至少一个第二丝杆机构605、安装在至少一个第二丝杆机构605上的第二支撑板606，第二滑道601安装在第二支撑板606上。
在本实施例中，移动机构40具有六自由度，能够沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向平动，且同时能够绕X轴方向、Y轴方向和Z轴方向旋转。移动机构40并不局限于具有六自由度，也可以具有五自由度，能够沿X轴方向、Y轴方向和Z轴方向平动，且同时能够绕X轴方向、Y轴方向旋转或者绕X轴方向、Z轴方向旋转，或者绕Y轴方向、Z轴方向旋转。
移动机构40包括第三X轴移动机构400、设置在第三X轴移动机构400上的移动组件，移动组件包括四个升降杆402、设置在四个升降杆402上的活动板403，四个升降杆402能够沿Y轴方向移动且能够沿Z轴方向升降。四个升降杆402沿X轴方向设置两排，每排包括两个升降杆402，第三X轴移动机构400上设置有两个沿Y轴方向延伸的长条形孔404，四个升降杆402能够沿该长条形孔404移动。升降杆402能够沿Z轴方向升降，从而带动活动板403升降。升降杆402的上端置入活动板403内，当其中一排的两个升降杆402的高度与另一排的两个升降杆402的高度不一致时，则会使得活动板403绕X轴或Y轴旋转；当升降杆402下降脱离活动板403时，通过旋转机构(图中未示出)驱动活动板403绕Z轴方向旋转也就是在水平面内转动。
具体地，如图4所示，龙卷风发生器20包括内筒201、外筒202、环形通道203、第一风机204、第一蜂窝器205和导流组件，环形通道203连通内筒201与外筒202，第一风机204和第一蜂窝器205安装在内筒201内，第一风机204位于第一蜂窝器205的上方，导流组件设置在环形通道203内，导流组件包括沿周向设置的多个导流板206。第一风机204生成向上的气流，经过导流板206和外筒202，在移动机构40与第一蜂窝器205间形成龙卷风涡旋。通过改变龙卷风发生器20的不同控制参数，比如改变导流板206与水平面之间的角度、移动机构40与龙卷风发生器20的下表面之间的高度就可以得到不同尺度的龙卷风，改变第一风机204的转速就可以得到不同速度、不同流量的龙卷风，从而调控龙卷风风场。
具体地，如图5所示，下击暴流发生器30包括第二风机(图中未示出)、集气段301、动力前段302、风扇段303、动力后段304、稳定段305、收缩段306、第二蜂窝器307和阻尼网308，集气段301、动力前段302、风扇段303、动力后段304、稳定段305、收缩段306从上往下依次设置，第二蜂窝器307和阻尼网308均设置在稳定段305内。第二风机通过不同频率的转速实现下击暴流不同的喷口风速，在瞬间释放出高压空气，产生高速射流，射流经过第二蜂窝器307的导流和分割，从而加快涡旋的衰减，气流通过阻尼网308后在气流流动方向上会产生较大的压降，从而使气流在通过阻尼网308后其轴向速度分布变的均匀，在收缩段306中均匀加速，最后收缩段306尾部流出，从而在极短的时间内形成高速下沉气流，模拟实际的具有突发性的下击暴流。
在进行龙卷风风场特性模拟时，移动机构40移动至龙卷风发生器20的下方，同时通过二维移动机构使得下击暴流发生器30移动至与龙卷风发生器20保持适当的距离，避免下击暴流发生器30对龙卷风发生器20产生的风场的影响，通过改变导流板角度以及风速等参数，形成不同尺度的龙卷风，确定某一龙卷风的尺度，控制移动机构40，通过改变移动机构40与水平面之间的角度，形成不同形态的龙卷风，确定好某一角度后，启动龙卷风发生器20，待龙卷风稳定形成后，给定一个路线，比如沿着X轴方向、Y轴方向或Z轴方向，使移动机构40在路线上以不同速度进行移动，采用风速探头即可测量该龙卷风的风场特性；接着改变龙卷风的尺度，待龙卷风形成稳定后，重复上述操作，检测并记录相关模拟数据。
在进行下击暴流风场特性模拟时，移动机构40移动至下击暴流发生器30的下方，同时通过二维移动装置使得龙卷风发生器20移动至与下击暴流发生器30保持适当的距离，避免龙卷风发生器20对下击暴流发生器30产生的风场的影响，通过改变风速等参数，形成不同尺度的下击暴流，确定某一下击暴流的尺度，控制移动机构40，通过改变移动机构40与水平面之间的角度，形成不同形态的下击暴流，确定好某一角度后，启动下击暴流发生器30，待下击暴流稳定形成后，给定一个路线，比如沿着X轴方向、Y轴方向或Z轴方向，使移动机构40在路线上以不同速度进行移动，采用风速探头即可测量该下击暴流的风场特性；接着改变下击暴流的尺度，待下击暴流形成稳定后，重复上述操作，检测并记录相关模拟数据。
联合模拟：通过二维移动装置和二维移动机构的配合，带动龙卷风发生器20和下击暴流发生器30处在一个合适的距离，通过导流板206的角度、第一风机204的转速来调控龙卷风的尺度，通过第二风机的转速来调控下击暴流的尺度，通过改变移动机构40的倾斜角度来形成不同形态的龙卷风和下击暴流，同时打开龙卷风发生器20和下击暴流发生器30，移动机构40在设定的路线上比如沿着X轴方向、Y轴方向或Z轴方向以不同速度进行移动，模拟耦合状态下的风场特性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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