一种台风场风速剖面和非平稳风模拟装置、系统及方法

1.本发明涉及试验风场模拟技术领域，尤其涉及一种台风场风速剖面和非平稳风模拟装置、系统及方法。


背景技术：

2.台风等极端风灾害是沿海台风多发区高层建筑抗风设计的关键挑战，已有研究表明，台风的非平稳特性会增大高层建筑结构的响应；且台风本身的特点也导致其风场特性与常态风存在诸多差异，需要对台风作用下高层建筑的风致响应特点进行更深入的分析，由于台风的偶发性和台风路径的不确定性，研究台风对高层建筑风效应的影响还存在一定难度。
3.为研究高层建筑在台风作用下的结构性能，减小台风对高层建筑运营和安全造成的影响，研究人员已基于实测台风场数据对台风场风特性开展了大量卓有成效的研究工作。目前对台风场风荷载的模拟主要是从信号本身出发，利用其均值时变特性和功率谱演化特征等去进行数值模拟，由于台风场风速通常具有非平稳特征，不满足各态遍历特性，使得基于信号本身的数值模拟不具备普适性。对台风作用下的结构响应进行实测是直接也是最接近实际情况的研究方法；然而，现场实测需要花费较大人力和财力，另外由于建筑立面美观等的需求往往无法在真实建筑上安装足够数量的传感器开展结构风荷载的测试。同时由于台风发生时间和路径具有较大的随机性，完整的台风过程难以有效捕捉。在现有技术方案中对台风作用下的结构性能测试不便。
4.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种台风场风速剖面和非平稳风模拟装置、系统及方法，旨在解决现有技术建筑在台风作用下的结构性能测试不便的技术问题。
6.本发明的技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供一种台风场风速剖面和非平稳风模拟装置，其包括：
8.框架结构；
9.支架结构，设置于所述框架结构，用于支撑所述框架结构；
10.导流结构，与所述框架结构连接，用于使气流通过所述导流结构后形成模拟风场；
11.驱动结构，与所述导流结构连接，用于调整所述导流结构的转动角度；
12.其中，所述驱动结构设置于所述框架结构，所述导流结构位于所述框架结构内，所述支架结构位于所述框架结构远离气流方向的一侧。
13.在一些实施方式中，所述导流结构包括多个叶片；
14.所述驱动结构包括多个驱动电机；
15.其中，每个所述驱动电机与至少一个所述叶片连接。
16.在一些实施方式中，所述框架结构包括：
17.第一横梁；
18.第二横梁，与所述第一横梁平行设置；
19.第一立柱，两侧分别与所述第一横梁、第二横梁的一端连接；
20.第二立柱，两侧分别与所述第一横梁、第二横梁的另一端连接；
21.其中，所述第一立柱、第二立柱分别与所述支架结构可拆卸连接。
22.在一些实施方式中，所述装置还包括传动结构，所述传动结构与所述导流结构连接；所述传动结构包括：
23.第一同步轮和第二同步轮，分别连接于所述框架结构；
24.同步带，连接所述第一同步轮和所述第二同步轮；
25.其中，所述第一同步轮、所述第二同步轮分别与两个所述叶片一一对应。
26.在一些实施方式中，所述第一立柱上设有多个直线轴承，每个所述叶片上均设有夹具，所述夹具通过转轴与所述直线轴承转动连接。
27.第二方面，本发明提供一种台风场风速剖面和非平稳风模拟系统，其中，其包括上述任一项所述的台风场风速剖面和非平稳风模拟装置；所述系统还包括：
28.尖劈结构，位于所述框架结构靠近气流方向的一侧；
29.粗糙结构，位于所述框架结构靠近气流方向的一侧或远离气流方向的一侧；
30.模型结构，位于所述框架结构远离气流方向的一侧；
31.多个测速仪，位于所述模型结构所在位置的不同高度处，用于测量所述模型结构所在位置多个高度处的气流速度；
32.其中，所述模型结构位于所述粗糙结构之内、远离气流方向一侧或靠近气流方向一侧，气流依次通过所述尖劈结构和所述粗糙结构。
33.在一些实施方式中，所述尖劈结构包括多个尖劈元件，多个所述尖劈元件呈行排布；所述粗糙结构包括不同大小的多个粗糙元件，多个所述粗糙元件呈阵列排布。
34.在一些实施方式中，所述系统还包括风洞地板，所述尖劈结构、粗糙结构、模型结构及测速仪均连接于所述风洞地板，所述框架结构与所述风洞地板连接；其中，所述风洞地板与水平面平行。
35.第三方面，本发明提供一种根据上述任一方案所述的台风场风速剖面和非平稳风模拟方法，其特征在于，所述方法包括：
36.确定模拟装置的位置信息；
37.启动风洞并根据所述模拟装置的位置信息和获取的目标台风剖面信息，调节导流结构的角度信息，得到模拟风场的风剖面信息；
38.若所述模拟风场的风剖面信息与所述目标台风剖面信息满足预设要求，完成对所述目标台风剖面信息的模拟。
39.在一些实施方式中，所述导流结构包括多个叶片，所述导流结构的角度信息为多个叶片的角度；
40.所述启动风洞并根据所述模拟装置的位置信息和所述目标台风剖面信息，调节导流结构的角度信息，得到模拟风场的风剖面信息，包括：
41.获取目标台风剖面信息，并根据所述目标台风剖面信息对多个叶片进行分组，得
到多个叶片组；
42.根据所述目标台风剖面信息，确定各叶片组的角度正负值；
43.启动风洞并基于所述目标台风剖面信息和所述各叶片组的角度正负值，调节各叶片组中叶片的角度，得到模拟风场的风剖面信息。
44.有益效果：本发明提供一种台风场风速剖面和非平稳风模拟装置、系统及方法，所述装置包括：框架结构；支架结构，设置于所述框架结构，用于支撑所述框架结构；导流结构，与所述框架结构连接，用于使气流通过所述导流结构后形成模拟风场；驱动结构，与所述导流结构连接，用于调整所述导流结构的转动角度；其中，所述驱动结构设置于所述框架结构，所述导流结构位于所述框架结构内，所述支架结构位于所述框架结构远离气流方向的一侧。本发明通过驱动结构调整导流结构的旋转角度和旋转速度，从而使气流经过导流结构导流后形成符合台风场特征的风速剖面和非平稳风时程，从而提高建筑在台风作用下结构性能模拟测试的便捷性。
附图说明
45.图1为本发明的台风场风速剖面和非平稳风模拟装置的立体结构图。
46.图2为本发明的模拟装置的分解示意图。
47.图3为本发明的模拟装置的正视图。
48.图4为本发明的模拟装置的侧视图。
49.图5为本发明的模拟装置的俯视图。
50.图6为本发明的模拟装置的框架结构的立体结构图。
51.图7为本发明的模拟装置的叶片的结构示意图。
52.图8为本发明的模拟装置的第一横梁和第二横梁的结构示意图。
53.图9为本发明的模拟装置的支架结构的结构示意图。
54.图10为本发明的模拟装置的第一立柱和第二立柱的结构示意图。
55.图11为本发明的模拟系统在风洞中的风向示意图。
56.图12为本发明的风洞中测量风速的测速仪摆放位置示意图。
57.图13为本发明的模拟装置不同位置处形成的风剖面示意图。
58.图14为本发明的模拟装置其叶片的转角命名示意图。
59.图15为本发明的模拟装置第一次调试的位置摆放示意图。
60.图16为本发明的模拟装置第一次调试所生成的风剖面图。
61.图17为本发明的模拟装置第二次调试的位置摆放示意图。
62.图18为本发明的模拟装置第二次调试所生成的风剖面图。
63.图19为本发明的模拟装置第三次调试的位置摆放示意图。
64.图20为本发明的模拟装置第三次调试所生成的风剖面图。
65.图21为本发明的模拟装置第四次调试所生成的风剖面图。
66.图22为本发明的叶片转角为
“‑
042000”、
“‑
022000”装置模拟风剖面与实际台风剖面的对比图。
67.图23为本发明的模拟装置中叶片转角为
“‑
042000”时模拟台风剖面的功率谱对比图。
68.图24为本发明的模拟装置中叶片转角为
“‑
042000”时模拟台风剖面60s的运行示意图。
69.图25为本发明的叶片转角为
“‑
042000”时不同高度传感器测得的风速结果图。
70.图26为本发明的模拟方法的流程图。
71.附图标记说明：100、框架结构；110、第一横梁；120、第二横梁；130、第一立柱；140、第二立柱；200、支架结构；300、导流结构；301、叶片；400、驱动结构；401、驱动电机；500、传动结构；510、第一同步轮；520、第二同步轮；530、同步带；601、夹具；602、转轴；603、直线轴承；604、支撑板；11、尖劈结构；12、粗糙结构；13、模型结构；14、第一测速仪；15、第二测速仪；16、第三测速仪。
具体实施方式
72.本发明提供一种台风场风速剖面和非平稳风模拟装置、系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
73.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
74.在现有技术方案中对台风作用下的结构性能测试不便。因此，对建筑结构开展边界层风洞试验，通过风洞试验来研究建筑结构的风荷载特征是较为经济、有效的手段。
75.风洞试验通过在边界层风洞内重现大气流场环境，可以非常方便的研究特定条件下结构风荷载的分布情况和结构响应特性；试验参数可根据实际情况来调整、能够进行极端工况试验等优点使风洞试验成为风工程研究中最常见、最可靠的研究方法。但是，目前边界层风洞常见的辅助边界层发展的装置(如粗糙元、尖劈、隔栅、挡板等)无法在风洞内重现台风风场的特殊剖面结构和非平稳特性。
76.为了解决上述问题，本发明提供了一种台风场风速剖面和非平稳风模拟装置；如图1所示，需要说明的是，图1中箭头方向为气流方向(即气流流动方向)，图1中括号中的标号标识该部件含有的组件，比如300(301)表示的是导流结构300包含叶片301；所述模拟装置包括：
77.框架结构100；支架结构200，设置于所述框架结构100，用于支撑所述框架结构100；
78.导流结构300，与所述框架结构100连接，用于使气流通过所述导流结构300后形成模拟风场；
79.驱动结构400，与所述导流结构300连接，用于调整所述导流结构300的转动角度；
80.其中，所述驱动结构400设置于所述框架结构100，所述导流结构300位于所述框架结构100内，所述支架结构200位于所述框架结构100远离气流方向的一侧。具体地，导流结构300可与框架结构100转动连接。
81.值得说明的是，所述模拟装置应用于边界层风洞，具体设置在边界层风洞内；边界层风洞能够产生气流(如恒定气流)，模拟装置位于恒定气流所流动的方向上，通过驱动结构400控制导流结构300的旋转角度和旋转速度，从而通过导流结构300对经过模拟装置的气流进行导流，进而在模拟装置远离气流方向一侧(即远离产生气流源的一侧，也就是后侧方向，图1朝向观察人员一侧)形成不同非常规风场和非平稳风场，也就是可生成符合台风场特征的风速剖面和非平稳风时程，与信号模拟产生的风相比更贴合实际非常规风场和非平稳风，所产生的风能够体现非平稳风的时变特性，满足模拟不同风速风向角非常规风场和非平稳风的需求，即满足在风洞中模拟台风风场的实验需求，以实现便于建筑在台风作用下的结构性能的模拟测试，安装与试验便捷，且相对利用均值时变特性和功率谱演化特征等去进行数值模拟，本发明能够通过不同角度的导流结构对气流进行导流，实现台风场风速剖面和非平稳时程，提高模拟测试试验结果的准确性。
82.本实施例为主动编程式台风场风速剖面和非平稳风模拟装置在试验段尺寸为宽4m高3m长21m，设计最大风速为30m/s的风洞中的具体应用。
83.本发明通过编程软件控制驱动结构400调整导流结构300的旋转角度和旋转速度，从而使气流经过导流结构300导流后形成符合台风场特征的风速剖面和非平稳风时程，从而提高建筑在台风作用下结构性能模拟测试的便捷性，以及提高性能模拟测试结构的准确性。
84.在本实施例中，所述导流结构300包括多个叶片301；
85.所述驱动结构400包括多个驱动电机401；
86.其中，每个所述驱动电机401与至少一个所述叶片301连接。
87.具体地，如图1或图2所示，导流结构300包括六个叶片301，驱动结构400包括三个驱动电机401(具体为步进电机)，为了提高经济效益以及降低模拟装置操作的复杂程度，本实施例中一个驱动电机401与两个叶片301对应连接(即一个驱动电机401可同步带动两个叶片301进行转动速度和转动角度的调整)，但不限于此，也可设置为一个步进电机与一个叶片连接，或一个步进电机与三个叶片连接。
88.如图14所示，从上而下每两个叶片301为一组，每组叶片的旋转角度分别定义为α、β、γ，通过编程软件单独控制相应的驱动电机401，从而相应调整α、β、γ的角度大小，叶片301的角度范围(即α、β、γ角度大小范围)为0
°
至360
°
，叶片301转动角度为0
°
时叶片与地面(即水平面)平行，如图1或图3所示。从而通过叶片301可大范围角度调整(即360度转动)，使气流经过导流结构300后的气流能够体现非平稳风的时变特性，以满足模拟不同风速风向角非常规风场和非平稳风的需求，从而方便进行不同目标台风剖面的模拟测试。
89.进一步地，每个叶片301大小形状相同，均设置为厚度处处相同的矩形状，但不限于此，例如叶片301沿气流方向厚度具有增减趋势，即厚度由小变大再减小。本实施例中每个叶片301长1.38m，宽0.22m。
90.在本实施例中，如图1或图6所示，所述框架结构100包括：
91.第一横梁110；
92.第二横梁120，与所述第一横梁110平行设置；
93.第一立柱130，两侧分别与所述第一横梁110、第二横梁120的一端(即图1左端)可拆卸连接；
94.第二立柱140，两侧分别与所述第一横梁110、第二横梁120的另一端(即图1右端)可拆卸连接；
95.其中，所述第一立柱130、第二立柱140分别与所述支架结构200可拆卸连接。
96.具体地，六个叶片301等间距设置在第一立柱130和第二立柱140之间，且六个叶片301在0
°
状态下与第一横梁110、第二横梁120平行；三个驱动电机401设置在第四立柱140外侧；且第一立柱130和第二立柱140的上下两端(即顶部底部)分别设置有支撑板604，支撑板604上设有螺纹孔，从而使两个立柱分别通过一侧的支撑板604(如顶部)与对应的横梁(如第二横梁)进行固定，上下两个横梁的左右两端设有与支撑板螺纹孔对应的外螺纹，从而使横梁通过螺栓与立柱通过支撑板进行固定连接。
97.在本实施例中，支架结构200包括两个三角支架，如图4或图10所示，两个三角支架的直角长边分别与第一立柱130、第二立柱140的后端(即远离气流方向的一侧)可拆卸连接，从而通过两个三角支架200抵接框架结构100，以防止框架结构100在气流的吹动下倾倒，进而保证整个模拟装置的稳定性。进一步地，两个三角支架前侧的螺纹孔通过螺栓分别与两个立柱进行固定。
98.在本实施例中，如图1或图2所示，所述装置还包括传动结构500，所述传动结构500与所述导流结构300连接；所述传动结构500包括：
99.第一同步轮510和第二同步轮520，分别连接于所述框架结构100；
100.同步带530，连接所述第一同步轮510和所述第二同步轮520；
101.其中，所述第一同步轮510、所述第二同步轮520分别与两个所述叶片301一一对应。
102.具体地，传动结构500包括三组传动组件，每个传动组件包括如上述所述的两个同步轮和一个同步带，也就是一个驱动电机401通过一组传动组件带动相邻的两个叶片进行同步转动，从而使三个驱动电机401分别在控制一个叶片时同步控制相邻的一个叶片，以使从上至下每组叶片301(两个叶片为一组)的α、β、γ角度大小各自对应调整。
103.在本实施例中，如图1、图2或图7所示，所述第一立柱130上设有多个直线轴承603，每个所述叶片301上均设有夹具601，所述夹具601通过转轴602与所述直线轴承603转动连接。
104.具体地，在一组叶片中，一个叶片301的两侧均设有夹具601，两个立柱的两侧均设有直线轴承603，每个夹具601均通过转轴602与直线轴承603转动连接，另一个叶片的左端与之前叶片同样设置，该叶片右端通过直线轴承与一个驱动电机401的驱动轴连接。
105.进一步地，夹具601的转轴602直径略小于直线轴承603内径，转轴具有与直线轴承凹槽对应的凸起，夹具对应的转轴通过嵌入的方式与直线轴承连接；步进电机设有与转轴凸起对应的凹槽，三个步进电机从装置顶部第一个转轴起间隔一个转轴分布，通过嵌入的方式与转轴连接。
106.进一步地，一组中的两个同步轮分别与两个转轴固定连接，从而使一组的两个相邻叶片301实现同步转动。
107.基于上述实施例，本发明还提供一种台风场风速剖面和非平稳风模拟系统，其包括上述所述的台风场风速剖面和非平稳风模拟装置；如图11或图12所示，所述系统还包括：
108.尖劈结构11，位于所述框架结构100靠近气流方向的一侧；粗糙结构12，位于所述框架结构100靠近气流方向的一侧或远离气流方向的一侧；模型结构13，位于所述框架结构100远离气流方向的一侧；多个测速仪，位于所述模型结构100所在位置的不同高度处，用于测量所述模型结构13所在位置多个高度处的气流速度；其中，所述模型结构100位于所述粗糙结构12之内、位于所述粗糙结构12远离气流方向一侧或位于所述粗糙结构12靠近气流方向一侧，气流依次通过所述尖劈结构11和所述粗糙结构12。
109.值得说明的是，所述模拟系统位于边界层风洞内，气流首先经过尖劈结构11(即多个呈一行等间距排布的尖劈元件)，随后经过粗糙结构12(即多个阵列排布的粗糙元件)和模型结构13。
110.具体地，所述尖劈结构11包括不同大小、不同形状的多个尖劈元件，多个所述尖劈元件呈行排布；所述粗糙结构12包括不同大小的多个粗糙元件，多个所述粗糙元件呈阵列排布；多个所述尖劈元件和多个所述粗糙元件可按模拟需求进行选用。模型结构13可为任意外形的高层建筑缩尺模型，本实施例中为长宽高分别0.225m
×
0.15m
×
0.9m的长方体状高层建筑模型。
111.需要注意，气流经过粗糙结构12和模拟装置的顺序(即模拟装置的初始位置信息)可根据实际情况进行设置，例如模拟装置位于粗糙结构12靠近气流方向(如图15)，或模拟装置位于粗糙结构12之内(如图17)，或模拟装置位于粗糙结构12远离气流方向(如图19)。
112.如图1至图11所示，将表格1尺寸的尖劈元件、粗糙元件在风洞中进行安装模拟b类风场；以风洞来流(即气流源方向)为前方，在风洞内安装模拟装置，在进行模拟试验时，多叶片非常规风场和非平稳风模拟装置安装位置需要通过反复测试来确定，0.9m高的模型结构13安装在模拟装置后方的流场均匀区内。
113.表格1尖劈元件和粗糙元件尺寸(mm)
[0114][0115]
在本实施例中，所述系统还包括风洞地板，所述尖劈结构11、粗糙结构12、模型结构13及测速仪均连接于所述风洞地板，所述框架结构100与所述风洞地板连接；其中，所述风洞地板与水平面平行。
[0116]
具体地，如图11所示，将模拟装置放置在风洞内部模拟台风风场，展示的是一个风洞的内部试验段，也就是将模拟装置安装在风洞地板上。
[0117]
需要注意，为了更直观的表示模拟装置的位置所以没有绘制出风洞的顶板和靠近观察者这一侧的侧墙，但实际风洞中顶板和靠近观察者一侧的侧墙是存在的，也就是说，风洞的四面封闭，其截面呈矩形状；该试验段的前后是没有墙的以保证气流能顺利通过该试验段，但不是前后方开口，视风洞类型的不同前后会有安装不同的辅助装置或安全装置，如风扇、整流装置、网格栅等，在此不做具体限定。
[0118]
如图12所示，为了测量模型结构13所在位置处的风场，多个传感器(即测速仪)位
于模型结构13周围(即其所在位置)。其中多个测速仪的高度可根据风剖面信息测量的需要进行调整，本实施例中，初次测试风剖面信息时，多个测速仪分别为位于距离风洞地板0.2m高的第一测速仪14、距离风洞地板0.9m高的第二测速仪15以及距离风洞地板0.6m高的第三测速仪16，其中，第一测速仪14和第二测速仪15位于模型结构13的同侧(即左侧)，第三测速仪16位于模型结构13的另一侧(即右侧)。
[0119]
如图11或图13所示，当距离装置2m以上，风剖面趋于稳定(进一步距离装置2.6m风剖面稳定)，将距离风洞转盘中心(即模型结构13安装位置)2m以上设为模拟装置的安装位置范围。模拟装置调试参数(即模拟装置的初始位置信息)包括三个测速仪的摆放高度、模拟装置的摆放位置、模拟装置叶片的三组转角大小。
[0120]
需要说明的是，模拟的台风剖面按叶片角度“αβγ”组合命名，以地面平行的水平线为基准，由上至下每组叶片301转角顺时针为正，逆时针为负，以-454500为例，表示α组叶片逆时针旋转45
°
，β组叶片顺时针旋转45
°
，γ组叶片保持和地面平行。
[0121]
基于上述实施例，本发明还提供一种台风场风速剖面和非平稳风模拟方法，应用于台风场风速剖面和非平稳风模拟系统，具有以上台风场风速剖面和非平稳风模拟装置的全部有益效果；如图26所示，所述方法包括如下步骤：
[0122]
步骤s100、确定模拟装置的位置信息。
[0123]
在一种实现方式中，所述步骤s100具体包括如下步骤：
[0124]
步骤s110、获取所述模拟装置的预设位置以及所述导流结构的预设角度；其中，所述模拟装置的预设位置至少为两个，所述导流结构的预设角度至少为两个。
[0125]
步骤s120、根据所述模拟装置的预设位置以及所述导流结构的预设角度，得到初始风剖面信息。
[0126]
步骤s130、基于所述模拟装置的预设位置，若所述初始风剖面信息与所述目标台风剖面信息的相似度满足初始要求，则确定所述模拟装置的位置信息为所述模拟装置的预设位置。
[0127]
具体地，所述模拟装置的预设位置包括第一预设位置(如图15模拟装置位于粗糙结构12靠近气流方向)、第二预设位置(如图17模拟装置位于粗糙结构12之内)和第三预设位置(如图19模拟装置位于粗糙结构12远离气流方向)，所述多个叶片组的预设角度包括第一组预设角度(0
°
以及0
°
以上的多个角度)和第二组预设角度(0
°
以下的多个角度)；
[0128]
需要说明的是，初始要求为包括生成风剖面曲线与鼻状风剖面曲线间波峰波谷差。
[0129]
若所述生成风剖面曲线与鼻状风剖面曲线间波峰波谷差的对比结果为相似(同样具有相同方向的鼻状曲线)，即满足初始要求，完成对模拟装置的位置信息的确定。
[0130]
所述步骤s130具体包括：
[0131]
基于若干预设位置和若干预设角度，得到若干参数组方案；
[0132]
针对每一个参数组方案(包括一个预设位置以及至少两个角度)，确定对应的初始风剖面信息；
[0133]
根据所有参数组方案对应的初始风剖面信息，确定最佳的初始风剖面信息；
[0134]
将最佳的初始风剖面信息对应的参数组方案中对应的预设位置作为所述模拟装置的位置信息。
[0135]
确定模拟装置的位置信息后，所述方法还包括如下步骤：
[0136]
步骤s200、启动风洞并根据所述模拟装置的位置信息和获取的目标台风剖面信息，调节导流结构的角度信息，得到模拟风场的风剖面信息。
[0137]
所述导流结构包括多个叶片，所述导流结构的角度信息为多个叶片的角度；多个叶片的角度包括角度正负值和角度大小。
[0138]
在一种实现方式中，所述步骤s200具体包括：
[0139]
步骤s210、获取目标台风剖面信息，并根据所述目标台风剖面信息对多个叶片进行分组，得到多个叶片组。
[0140]
具体地，所述目标台风剖面信息(即鼻状风剖面图)为鼻状风剖面曲线(或鼻状风剖面折线)。
[0141]
所述步骤s210具体包括：
[0142]
步骤s211、根据所述鼻状风剖面曲线，确定鼻状风剖面曲线的拐点数量和拐点高度。
[0143]
步骤s212、根据所述鼻状风剖面曲线的拐点数量和拐点高度，将多个叶片进行分组，得到多个叶片组。
[0144]
所述步骤s212具体包括：
[0145]
步骤s213、根据所述鼻状风剖面曲线的拐点数量和拐点高度，确定鼻状风剖面曲线的各拐点高度差。
[0146]
步骤s214、将多个叶片的组数、每组叶片所在高度区间分别与各拐点个数、各拐点高度差进行对应分组，得到多个叶片组。
[0147]
需要说明的是，多个叶片之间的间距可调，也就是相邻两个叶片间距可不相同，不同高度处相邻两个叶片的间距大小根据所述鼻状风剖面图中各段鼻状风剖面曲线的长短进行设置。本实施例中相邻两个叶片间距相同，且在高度0至0.9m内设有叶片，每两个叶片分为一组。在其他实施例中，也可设置为0-0.2m内设有两个叶片，0.2m-0.6m内设有4个叶片，0.6m-0.9m内设有3个叶片，从而实现对生成风剖面图的精准调控。
[0148]
步骤s220、根据所述目标台风剖面信息，确定各叶片组的角度正负值；
[0149]
在一些实现方式中，所述鼻状风剖面曲线包括各拐点间的斜率正负值。
[0150]
所述步骤s220具体包括：步骤s221、根据所述斜率正负值确定所述各叶片组的角度正负值。
[0151]
步骤s230、启动风洞并基于所述目标台风剖面信息和所述各叶片组的角度正负值，调节各叶片组中叶片的角度，得到模拟风场的风剖面信息。
[0152]
具体地，鼻状风剖面曲线还包括各拐点间的斜率大小，各叶片组中叶片的角度正负值和角度大小分别与各拐点间的斜率正负值和斜率大小相对应。
[0153]
根据所述斜率大小确定所述各叶片组的角度大小。
[0154]
进一步的，确定所述分组后的各组叶片的转动角度与所述生成风剖面图的风速大小变化规律；根据风速大小变化规律和鼻状风剖面曲线各段的斜率大小，确定所述模型结构所在位置不同高度处的风速变化大小；根据所述模型结构所在位置不同高度处的风速变化大小，确定所述分组调整后的各组叶片的角度大小。
[0155]
在一些实现方式中，所述步骤s230具体包括：
[0156]
步骤s231、启动风洞并基于所述鼻状风剖面曲线和所述各叶片组的角度正负值，调节所述各叶片组中叶片的角度，得到所述模型结构所在位置多个高度处的风速；其中，叶片组的组数、叶片组的组高分别与多个测速仪的数量和高度相对应。
[0157]
具体地，叶片组的组数与测速仪的数量相同，换句话说，测速仪的数量与鼻状剖面图(即实际台风剖面图)预设高度内的拐点数量相同，而鼻状风剖面曲线的拐点数量与叶片组的组数相同或相差一个数量；且各叶片组的高度范围内至少设有一个测速仪，较佳的，各叶片组中最上方的叶片所在高度为对应的一个测速仪的高度，也即各个测速仪的高度与鼻状剖面图的拐点对应的高度一致。进一步地，预设高度为1m，拐点数量为三个，高度分别为0.2m、0.6m和0.9m，从而测速仪的数量也为三个，位于模型结构所在位置的高度分别为0.2m、0.6m和0.9m。
[0158]
需要注意，所述模型结构的位置信息为所述模拟装置远离气流方向预设距离(2米)以上的位置；多个所述测速仪的位置信息为三个测速仪分别对应的第一高度(0.2米)、第二高度(0.9米)和第三高度(0.6米)。
[0159]
进一步，根据各叶片组中叶片的角度、模型结构的位置信息、模型结构所在位置多个高度处的风速，并以风速大小方向作为横坐标轴方向，以高度大小方向作为纵坐标轴方向，得到所述模拟风场的风剖面信息(即生成风剖面曲线)。
[0160]
步骤s232、根据所述模型结构所在位置多个高度处的风速，得到模拟风场的风剖面信息。
[0161]
得到模拟风场的风剖面信息后，所述方法还包括如下步骤：
[0162]
步骤s300、若所述模拟风场的风剖面信息与所述目标台风剖面信息满足预设要求，完成对所述目标台风剖面信息的模拟。
[0163]
所述预设要求包括生成风剖面曲线与鼻状风剖面曲线间各拐点的坐标差(即高度差)以及波峰波谷差。
[0164]
若所述生成风剖面曲线与鼻状风剖面曲线间坐标差以及波峰波谷差的对比结果在高精度范围中，即满足预设要求，完成对所述目标台风剖面信息的模拟。
[0165]
具体地，波峰波谷差(即形状偏差)为生成风剖面曲线与鼻状风剖面曲线的形状对比误差，各拐点的坐标差(即位置偏差)为生成风剖面曲线与鼻状风剖面曲线所在坐标系(风速作为横坐标轴、高度作为纵坐标轴)中的位置数据对比误差。进一步地，如图22所示，生成风剖面图与鼻状风剖面图(即实际台风剖面)的形状和位置吻合程度良好(生成风剖面图与鼻状风剖面图匹配)，具体偏差数值大小在此不做具体限定。
[0166]
所述方法还包括如下步骤：
[0167]
步骤s400、若所述模拟风场的风剖面信息与所述目标台风剖面信息不满足预设要求，继续执行所述启动风洞并根据所述模拟装置的位置信息和获取的目标台风剖面信息，调节导流结构的角度信息，得到模拟风场的风剖面信息，直至所述模拟风场的风剖面信息与所述目标台风剖面信息满足预设要求，完成对所述目标台风剖面信息的模拟。
[0168]
具体方法如下：
[0169]
如图15所示，第一次调试模拟装置的位置，为了确定模拟生成所需台风剖面的装置摆放位置，将尖劈结构后的0cm-950cm距离区间分为19排，每排50cm，模拟装置摆放置第10排。如图16所示，模拟装置在第一次调试位置中三组叶片转角为顺时针0
°
、5
°
、10
°
、15
°
、
20
°
、25
°
、30
°
、35
°
、40
°
时所生成的风剖面图，由于只有0
°
叶片转角时近地面生成了类台风剖面的鼻状风剖面，但该鼻状风剖面不明显，故该模拟装置摆放位置不合格，尝试第二次调试将模拟装置摆放位置向后调整。需要注意，风剖面图为鼻状风剖面时，也就是与目标台风剖面信息吻合。
[0170]
如图17所示，第二次调试模拟装置的位置，模拟装置摆放在第16、17排中间。如图18所示，模拟装置在第二次调试位置中三组叶片转角为顺时针40
°
、50
°
时所生成的风剖面图，由于在近地面位置没有生成预期的鼻状风剖面，故该模拟装置摆放位置、叶片转角设定大小不合格，尝试第三次调试将模拟装置摆放位置向后调整，增加逆时针叶片转角工况。
[0171]
如图19所示，第三次调试模拟装置的位置，模拟装置摆放在第19排中间，且第19排不放置粗糙元。如图20所示，模拟装置在第三次调试位置中三组叶片转角为逆时针(-)20
°
、10
°
，顺时针20
°
、30
°
、40
°
时所生成的风剖面图，仅叶片转角为顺时针20
°
时在近地面位置生成了鼻状风剖面，与0
°
叶片转角类似，故尝试第四次将模拟装置保持在第19排中间，以0
°
、顺时针20
°
叶片转角为基础调试三组叶片转角。
[0172]
如图21所示，模拟装置在第四次模拟调试参数试验中三组叶片转角为-102000、-042000、-022000、002000、032000、052000、000030、100040、052500时所生成的风剖面，最终确定叶片转角为-042000与-022000时生成的风剖面符合预期。
[0173]
图22所示，叶片转角为
“‑
042000”、
“‑
022000”装置模拟风剖面与实际台风剖面进行对比，即α组叶片逆时针旋转4
°
和2
°
，β组叶片顺时针旋转20
°
，γ组叶片与地面平行，其中模拟装置产生的模拟台风剖面的采样频率为15hz，测速时间为324s，由于三组叶片处于不同高度，因而可以对不同高度的来流进行导流，α组高度处叶片将气流引导至上部，使得自身高度处气流速度降低，上部气流速度提高，β组叶片将气流引导至γ组叶片高度处，与无叶片引导γ组叶片高度处气流叠加，亦使得自身高度处气流速度降低而γ组叶片处气流速度提高，形成类台风剖面的鼻状风剖面，在高度大于1m区域，拟台风剖面的风速大于实际台风剖面的风速，但在本案例中模型结构13所处的0-0.9m范围内，拟台风剖面与实际台风剖面的吻合程度良好，从而使模拟装置的作用表现明显，进而达到对结构性能模拟测试的准确性较高的效果。
[0174]
如图23所示，模拟装置中叶片转角为
“‑
042000”时模拟台风剖面的功率谱对比图，von karman与kaimal风功率谱描述了台风剖面在频域上的能量分布，建筑物的基频通常处于0.1hz-0.2hz，在该区间内，装置模拟的台风剖面的功率谱处于von karman与kaimal风功率谱之间，表明本发明的模拟装置不但在时域上能模拟台风的速度分布，而且在频域上能够模拟台风剖面的能量分布。
[0175]
如图24所示，模拟装置中叶片转角为
“‑
042000”时模拟台风剖面60s的运行，试验过程中，通过叶片角度的时变改变风速风场的风速大小，从而实现风场特性的时变：首先使所有叶片与风洞来流方向垂直(即“909090”)，此时风洞来流在装置处被叶片阻挡；通过控制器控制叶片转动到
“‑
042000”位置处，即α组叶片逆时针旋转4
°
，β组叶片顺时针旋转20
°
，γ组叶片与地面平行，保持60s不变，此时风洞来流在叶片导流下形成拟台风剖面风场；最后通过控制器控制所有叶片恢复到初始位置。
[0176]
如图25所示，叶片转角为
“‑
042000”时不同高度传感器测得的风速结果，由于叶片对风场的导流作用，因此改变叶片的转角可以做到对风洞来流的调整，叶片角度为“909090”时，此时风洞来流完全被叶片阻挡，此时试验区域的风速最小，随着叶片角度从“90
°”
逐渐转向“0
°”
，叶片对来流风的阻挡效应逐渐减弱，试验区域的风速会逐渐增大，从而达到通过叶片角度变化实现台风剖面模拟的目的。
[0177]
综上所述，本发明提供一种台风场风速剖面和非平稳风模拟装置、系统及方法，所述装置包括：框架结构；支架结构，设置于所述框架结构，用于支撑所述框架结构；导流结构，与所述框架结构连接，用于使气流通过所述导流结构后形成模拟风场；驱动结构，与所述导流结构连接，用于调整所述导流结构的转动角度；其中，所述驱动结构设置于所述框架结构，所述导流结构位于所述框架结构内，所述支架结构位于所述框架结构远离气流方向的一侧。本发明通过驱动结构调整导流结构的旋转角度和旋转速度，从而使气流经过导流结构导流后形成符合台风场特征的风速剖面和非平稳风时程，从而提高建筑在台风作用下结构性能模拟测试的便捷性。
[0178]
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。