一种产生竖向脉动气流的主动格栅装置技术领域
本发明属于风洞实验技术领域,具体涉及一种产生竖向脉动气流的主动格栅装
置。
背景技术
在长大跨桥梁结构及大跨屋盖结构及类似结构风洞试验研究中，竖向脉动气流特
性是影响风致响应与风荷载的重要因素，因此在边界层风洞试验中需要进行仔细模拟。但
现有风洞试验技术一般通过横竖交叉的格栅条，或多个分离的三角形尖劈等被动模拟方式
实现，尚缺乏可以设置目标参数的主动控制模拟方法。
对于长大跨度桥梁结构和大跨度屋盖结构而言，竖向脉动气流是最重要的风场脉
动分量，对竖向脉动分量的模拟是很多风洞试验成败的关键。但是，在现有的风洞试验技术
领域，被动模拟装置对以竖向布置的尖劈为主，需要时可以辅助水平布置的格栅条，该类模
拟方法很难生成在整个模型安装区域满足需要的竖向风谱，且其产生的风谱在风洞中会随
着位置的变化而改变。同时，结构抖振力理论气动导纳函数最初是通过单一谐波脉动风假
设来推理的，因此在风洞内产生单一谐波脉动风对抖振理论研究的意义很大。此外，结构物
的特征尾流，常常为具有某种频谱特征的周期性脉动流，它可以通过多阶傅里叶级数来表
达，而自然风的风谱常常为具有一定频谱特征的随机脉动流。
目前在风洞内产生上述三类特征脉动流的手段非常匮乏，据发明人所知国内尚未
出现该类通用设备，因此通过一定的手段来实现特定频谱脉动风场的主动模拟方法对理论
研究和实际工程应用都具有重要意义。
本发明由国家自然科学基金项目(No.51478181、U1534206)联合资助。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种可在风洞中产生竖向脉动气流的主动格栅，
可以通过控制主动格栅的运行，在格栅下游产生单一频率谐波、多频率组合谐波及频谱特
性可控的随机振动为特征的竖向脉动气流。
本发明解决问题的技术方案是：一种产生竖向脉动气流的主动格栅装置，包括固
定于风洞壁上的支承框架，其特征在于：所述支承框架自上而下依次间隔铰接有多根水平
设置的振动翼栅；
所述支承框架下部设有水平设置的第一传动杆，并设有驱动第一传动杆上下平动
的驱动装置；
所述支承框架上部铰接有竖向设置的第二传动杆，第二传动杆的下端与第一传动
杆铰接，且第二传动杆与每一根振动翼栅铰接。
上述方案中，驱动装置驱动第一传动杆上下平动，并带动第二传动杆上下移动，第
二传动杆引导振动翼栅在风场中发生频谱特性可控的上下摆动，从而在下游风场中产生相
应频谱特征的竖向脉动气流。
具体的，所述驱动装置包括固定在支承框架底部的伺服电机、设置在伺服电机的
转轴上的偏心轮、套装于偏心轮外的运动框，所述第一传动杆水平固定于运动框顶部，运动
框在偏心轮带动下可上下平动。
上述方案中，伺服电机带动偏心轮在运动框内转动，偏心轮与运动框左右内壁之
间预留一定的空隙，从而在偏心轮运动中释放左右侧运动，仅引导运动框沿上下方向运动。
运动框在偏心轮带动下上下平动，进而使得第一传动杆上下平动。
偏心轮可以设计为具有10mm、20mm、30mm等竖向运动位移的组件，可以通过调节振
动翼栅的竖向振幅来改变竖向脉动气流的紊流度大小，以满足不同实验需求。
优选的，所述支承框架从左自右至少分为两个区域框，每个区域框内均自上而下
依次间隔铰接有多根水平设置的振动翼栅，每个区域框内至少设有一根第二传动杆，每一
根第二传动杆均与第一传动杆铰接。
本发明的显著效果是：
1.通过振动翼栅对气流的引导作用产生竖向脉动气流，气流竖向脉动的周期与振
动翼栅的运动周期相同，脉动风场湍流度可根据实验需要调节，具备较好的气流可控特性。
2.采用伺服电机和控制软件相配合，可以在风洞内产生单一频率谐波的竖向脉动
气流、多频率组合谐波的竖向脉动气流以及按照某一频谱为目标的循环可控的随机竖向脉
动气流，具备很强的适用性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明的主装配图。
图2是图1中的A-A断面图。
图3是图1中的B-B断面图。
图4是振动翼栅大样图。
图5是运动框部位大样图。
图中：1、支承框架；2、振动翼栅；3、第二传动杆；4、第一传动杆；5、运动框；6、伺服
电机；7、偏心轮。
具体实施方式
为了便于描述，各部件的相对位置关系(如：上、下、左、右等)的描述均是根据说明
书附图的布图方向来进行描述的，并不对本专利的结构起限定作用。
如图1～5所示，一种产生竖向脉动气流的主动格栅装置，包括固定于风洞壁上的
支承框架1，所述支承框架1自上而下依次间隔铰接有多根水平设置的振动翼栅2。
所述支承框架1下部设有水平设置的第一传动杆4，并设有驱动第一传动杆4上下
平动的驱动装置。所述驱动装置包括固定在支承框架1底部的伺服电机6、设置在伺服电机6
的转轴上的偏心轮7、套装于偏心轮7外的运动框5。所述第一传动杆4水平固定于运动框5顶
部。运动框5在偏心轮7带动下可上下平动。
所述支承框架1上部铰接有竖向设置的第二传动杆3，第二传动杆3的下端与第一
传动杆4铰接，且第二传动杆3与每一根振动翼栅2铰接。
偏心轮7可以设计为具有10mm、20mm、30mm竖向运动位移的组件，可以通过调节振
动翼栅2的竖向振幅来改变竖向脉动气流的紊流度大小，以满足不同实验需求。
一种优选的实施方案中，所述支承框架1从左自右至少分为两个区域框。每个区域
框内均自上而下依次间隔铰接有多根水平设置的振动翼栅2。每个区域框内至少设有一根
第二传动杆3。每一根第二传动杆3均与第一传动杆4铰接。
伺服电机6带动偏心轮7在运动框内5转动，运动框5在偏心轮7带动下上下平动，进
而使得第一传动杆4上下平动。第一传动杆4带动第二传动杆3上下移动，第二传动杆3引导
振动翼栅2在风场中发生频谱特性可控的上下摆动，从而在下游风场中产生相应频谱特征
的竖向脉动气流。
可以通过伺服电机与伺服驱动器的配合实现如下三类运动形式：
(1)单一谐波频率运动，运动位移d1＝A.sin(ωt)，其中运动频率f＝0.1～3Hz可
调，ω＝2πf，t为时间，A为运动位移幅值，根据格栅设计初始条件设定。
(2)多谐波组合运动，运动位移j＝2～10多阶谐波组合可
根据需要选择，其中ω＝2πf，f为运动频率，an为运动位移幅值，t为时间。
(3)随机运动，运动位移d3根据目标风谱通过FFT逆变换得到运动时程，然后通过
峰值平滑处理技术得到电机运行可接受的运行曲线。
控制目标在于实现具有三类特性的竖向脉动可控气流。
本发明中伺服电机6的运动通过软件“格栅运行控制”来调节参数，从而实现单一
频率谐波运动、多频率谐波组合运动及以某一频谱为目标的随机振动等多种运动形式。所
述“格栅运行控制”为现有的软件名称。