一种多向均匀可控的可视化造风系统及方法

本发明涉及造风系统，特别是涉及一种多向均匀可控的可视化造风系统及方法。

背景技术：

1、建造风浪流水槽对于海洋、海岸和船舶工程的研究至关重要，它能安全、可控地复现海洋环境中风、浪、流等多种动力要素的复杂耦合作用。无论是验证理论模型、测试结构物性能，还是进行基础科学探索，水槽实验都是不可替代的物理模拟手段。虽然当前建设了不少风浪流水槽，但是与实际海洋风环境仍存在不少差异，难以完全满足实际需求。存在的问题包括：

2、（1）实际海工结构上方的风由各个方向的风组合而成，而目前风浪流水槽多为单向风，风只能往单一方向吹，甚至只能对结构进行顺风或逆风吹；

3、（2）目前多数风浪流水槽造风系统通常只能产生1个方向的风，例如产生x方向的风，但是不能产生y方向的横风、z方向的下击暴流或上升气流，更不能产生不同方向的组合风；

4、（3）多只在水槽一端设置造风部件，造出来的风送风过程中快速向四周扩散，海面风速沿程衰减快。这使得风速可控性差，只能是固定测点位置达到指定风速，其他附近位置风速差异大；

5、（4）送风气流温度与室内温度一致，与实际海况温度有差异。研究浮式风机在极端天气下安全的需求，精确的气流温度控制对于模拟低温结冰或高温性能衰减至关重要。当前绝大多数造风系统只能考虑常温送风；

6、（5）当前造风气流可视化效果差，尤其是风的流向，肉眼和普通相机完全看不出流速分布和走向，更多只能通过风速仪进行风速测量。

7、因此，急需提出一种多向均匀可控的可视化造风系统及方法。

技术实现思路

1、本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出一种多向均匀可控的可视化造风系统及方法，通过设置具有三面送风的造风系统，使得造风系统能够在x，y和z方向产生风，生成不同方向的组合风，避免风速沿程扩散衰减，提升送风通道的风速空间均匀性。

2、本发明的技术方案，本发明的第一方面提供一种多向均匀可控的可视化造风系统，于水槽上方造风，包括由风机组件围设形成的内部造风空间；

3、风机组件包括分别设置于水槽长度方向x两端的第一方向造风单元、分别设置于水槽宽度方向y两端的第二方向造风单元、以及设置于水槽高度方向z顶端的第三方向造风单元；

4、第一方向造风单元、第二方向造风单元和第三方向造风单元分别独立工作或协同工作，以在x方向、y方向和z方向中的至少一个方向上产生单向风或多向组合风；

5、第一方向造风单元和/或第二方向造风单元中，位于一端的风机组件作为进风风机，位于另一端的风机组件作为出风风机；进风风机和出风风机均为双向风机，通过进风风机送风并同步通过出风风机抽风，使内部造风空间内的气流沿送风方向均匀受压；

6、各风机组件包括风机阵列和设置于风机阵列出风侧的整流板；整流板用于将风机阵列输出的气流整流为均匀流；

7、该系统还包括示踪烟雾发生装置；示踪烟雾发生装置设置于整流板的出风侧，用于向均匀整流后的气流中释放示踪烟雾。

8、优选的，第三方向造风单元中的风机组件为双向风机，其具有向上排风和向下送风两种工作模式：

9、向上排风模式下，使内部造风空间形成上升气流风场；

10、向下送风模式下，使内部造风空间形成下击暴流风场。

11、优选的，第一方向造风单元、第二方向造风单元和第三方向造风单元通过风速叠加组合，形成以下组合风场中的至少一种：

12、x方向与y方向组合，形成水平面斜向风场；

13、x方向与z方向组合，形成xz平面斜向风场；

14、y方向与z方向组合，形成yz平面斜向风场；

15、x方向、y方向与z方向同时组合，形成三维空间任意角度风场。

16、优选的，各风机组件中的风机阵列为由多个小风机按阵列排布构成的风机阵列；

17、每一排和/或每一列的小风机配置为独立变频控制，以在x方向、y方向和z方向中的至少一个方向上生成具有不同风速剖面的非均匀风场。

18、优选的，风机组件中的单个风机为双向风机；双向风机包括风机外壳和设置于风机外壳内的双向风轮，双向风轮具有对称叶片结构，其顺时针旋转和逆时针旋转的出风效率相同；

19、或，风机组件中的单个风机为对旋风机；对旋风机包括风机外壳和设置于风机外壳内的两个转向相反的风轮，两个风轮同轴设置；

20、或，风机组件中的单个风机为单向风机；单向风机配置有转动机构，转动机构用于驱动单向风机绕竖直轴或水平轴转动，以改变送风方向；

21、风机阵列被划分为若干风机分组，每个风机分组独立配置有转动机构。

22、优选的，还包括换热模块；换热模块设置于风机组件的进风侧或出风侧，用于对经过的气流进行加热或制冷；

23、换热模块配置为根据当前送风方向选择性地开启：

24、当x方向送风时，仅送风起始端的换热模块开启；

25、当y方向送风时，仅送风起始端的换热模块开启；

26、当z方向向上排风时，仅底部换热模块开启；当z方向向下送风时，仅顶部换热模块开启。

27、优选的，整流板为多孔整流板；多孔整流板上开设有多个整流孔；

28、整流孔的孔径和/或数量经配置，以补偿因设置换热模块而产生的不同高度处的风阻差异，保证送风均匀性。

29、优选的，示踪烟雾发生装置位于风机组件的风轮后方且位于整流板的出风侧，以确保所述示踪烟雾不被旋转风轮打散，且注入的示踪烟雾经所述整流板整流后随均匀气流输出。

30、本发明的第二方面提供一种多向均匀可控的可视化造风方法，使用上述的系统进行造风，包括以下具体步骤：

31、根据目标风场方向，选择启动第一方向造风单元、第二方向造风单元和第三方向造风单元中的一组或多组；

32、当选择x方向造风时，控制x方向一端的风机组件为进风风机进行送风，并同步控制x方向另一端的风机组件为出风风机进行抽风，内部造风空间内气流沿x方向均匀受压；

33、当选择y方向造风时，控制y方向一端的风机组件为进风风机进行送风，并同步控制y方向另一端的风机组件为出风风机进行抽风，使内部造风空间内气流沿y方向均匀受压；

34、当选择z方向造风时，控制z方向顶端的风机组件向上排风以形成上升气流，或向下送风以形成下击暴流；

35、当选择多方向组合造风时，控制相应方向的风机组件同时工作，各方向风速叠加组合，在内部造风空间内生成目标组合风场；

36、启动示踪烟雾发生装置，在经整流板整流后的均匀气流中释放示踪烟雾，以可视化显示风场流动结构。

37、优选的，独立调节各风机组件中每一排和/或每一列风机的转速，使沿x方向、y方向和z方向中的至少一个方向上的风速呈差异化分布，生成具有目标风速剖面的非均匀风场；

38、根据当前送风方向，选择开启对应的换热模块，对送风起始端的气流进行加热或制冷；

39、当风机组件中的单个风机为单向风机时，还包括送风方向切换步骤：

40、通过转动机构驱动单向风机绕竖直轴或水平轴转动，使单向风机的送风方向转动至目标方向；转动机构以风机分组为单位独立驱动，以实现不同区域的不同送风方向。

41、与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

42、本发明通过三面围设的风机组件和水平对拉送抽协同工作方式，有效解决了传统水槽造风系统风向单一、风速沿程衰减快、空间均匀性差的问题，可在x、y、z方向及其组合方向上生成均匀或非均匀剖面风场，模拟实际海洋多向风、下击暴流、上升气流等复杂风环境；通过在整流板出风侧设置示踪烟雾发生装置，实现了风场流线、涡结构等流动特征的低成本直观可视化，弥补了piv等昂贵设备的不足；通过换热模块的选择性启闭和整流孔补偿设计，实现了送风温度可控且不损失均匀性；采用双向风轮、对旋风机或可转动单向风机等多样化的风机选型方案，兼顾了双向送风效率与成本控制，整体提升了水槽实验对真实海况的模拟能力和测试数据的可靠性。