日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機(jī)站
  • 小程序

    汽車測試網(wǎng)

  • 公眾號

    • 汽車測試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測試

ROSENBERGER基站天線風(fēng)載實(shí)驗(yàn)和計算白皮書

2022-01-01 23:05:45·  來源：AutoAero  作者：ROSENBERGER  
　
1.摘要近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，無線移動通信技術(shù)在全球范圍內(nèi)快速推廣，為了解決無線移動數(shù)據(jù)的供需矛盾，出現(xiàn)了了新的頻譜帶，新的蜂窩技術(shù)（諸如LET）以
1.摘要
近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，無線移動通信技術(shù)在全球范圍內(nèi)快速推廣，為了解決無線移動數(shù)據(jù)的供需矛盾，出現(xiàn)了了新的頻譜帶，新的蜂窩技術(shù)（諸如LET）以及多天線技術(shù)（諸如MIMO）來滿足移動數(shù)據(jù)日益增長的需求。然而這也導(dǎo)致每個基站塔需要掛載更多的天線。而且每個天線都變的更加的集成化，每個天線中需要布置更多頻段的天線。這不可避免的會導(dǎo)致天線尺寸會越來越大，從而使得天線所受的風(fēng)載變大。
目前多數(shù)的天線罩為矩形截面形狀，這種截面形狀屬于一種鈍體形狀，當(dāng)風(fēng)流過天線罩表面時，就會產(chǎn)生渦流和流動的分離，從而產(chǎn)生復(fù)雜的空氣作用力，這種力就會使基站天線產(chǎn)生振動。由于目前多數(shù)基站天線主流的建站模型是采用鋼結(jié)構(gòu)單管通信塔，該塔型具備施工半徑小、工程占地少、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在塔身剛度偏低，塔頂水平位移過大的缺點(diǎn)?；咎炀€通常安裝在數(shù)十米的高空，高空中的風(fēng)速更大，更容易產(chǎn)生渦激振動。

因此風(fēng)載是基站天線結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，同時也決定了塔和附屬支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)置。它直接影響到天線應(yīng)用的可靠性和塔的安全。天線風(fēng)載的計算精度決定了塔的安全性和經(jīng)濟(jì)性評價的可靠度。
Rosenberger在天線領(lǐng)域耕耘多年，很早就意識到風(fēng)載的重要性，在減小基站天線的風(fēng)阻方面也做了很多工作。BASTA V11.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了新的基站天線風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法和計算方法，Rosenberger也依據(jù)BASTA V11.1新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，并重新修正了SPEC中的風(fēng)載計算方法。這份白皮書將介紹Rosenberger的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)過程以及如何進(jìn)行風(fēng)載修正的。
2.風(fēng)載計算方法
一般來說，獲取天線風(fēng)載方法包括：標(biāo)準(zhǔn)計算，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬3種。
2.1 標(biāo)準(zhǔn)計算
按標(biāo)準(zhǔn)計算風(fēng)載是一種公認(rèn)的、可靠的方法。按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算是通過科學(xué)的抽象，抓住問題的主要影響因素，建立理論模型，然后通過數(shù)學(xué)工具和方法求解方程來揭示各種物理現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律。這種方法受到數(shù)學(xué)工具和求解方法的制約，如果問題的物理性質(zhì)和邊界形狀較為復(fù)雜，往往只能建立簡化的模型，很難獲得貼近實(shí)際的流動現(xiàn)象。因此基于標(biāo)準(zhǔn)的計算的風(fēng)載結(jié)果往往是過于的保守。

2.2 風(fēng)洞測試

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M的環(huán)境與產(chǎn)品的實(shí)際自然環(huán)境最為相似，因此風(fēng)洞測試方法也是3種計算方法中最精確的方法。它能在與所研究問題完全相同和大體相同的情況下開展研究工作，結(jié)果直觀且可信度高，不足之處是該方法實(shí)驗(yàn)周期長，實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴，并且風(fēng)洞中流場信息的獲取十分困難，因此無法對復(fù)雜的流動現(xiàn)象和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行細(xì)致深入的研究。


圖1 汽車風(fēng)洞測試
2.3 CFD仿真

近年來，計算機(jī)軟硬件的發(fā)展使得高質(zhì)量的空氣動力學(xué)數(shù)值仿真成為了可能，并且這種方法也變得越來越普及。相對于傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究方法，CFD方法具有周期短，成本低，應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。該方法可以克服風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中存在的洞壁干擾、支架干擾、模型彈性變形、流場品質(zhì)等客觀因素的影響。它還可以對整個流場進(jìn)行可視化模擬，能夠清楚的揭示流動本質(zhì)并對下一步的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究工作提供努力的方向。因此CFD仿真方法可以更快，更經(jīng)濟(jì)的對天線進(jìn)行減阻優(yōu)化設(shè)計。然而，數(shù)值模擬也有一定的局限性，該方法是一種離散近似的計算方法，模擬的精準(zhǔn)度上依賴于所選擇的湍流模型和數(shù)值求解算法，也依賴于相應(yīng)的初始條件、邊界條件以及數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)的處理。



圖2 天線CFD仿真
總之，這三種計算風(fēng)載的方法各有利弊，相輔相成。計算標(biāo)準(zhǔn)中的公式是前人實(shí)驗(yàn)規(guī)律的總結(jié)，能夠指導(dǎo)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是建立運(yùn)動規(guī)律和理論模型的依據(jù)，檢驗(yàn)了標(biāo)準(zhǔn)計算公式和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性和可靠性；數(shù)值模擬增強(qiáng)了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的能力，同時也不斷豐富和完善了研究天線空氣動力學(xué)特性的方法。
Rosenberger并不局限于某一種方法，3種方法都會用于設(shè)計天線的風(fēng)載。Rosenberger采用EN1991-1-4來計算天線的風(fēng)載。針對標(biāo)準(zhǔn)計算過于保守的問題，采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)修正標(biāo)準(zhǔn)計算公式。采用CFD仿真方法來優(yōu)化減低天線的風(fēng)載。針對CFD仿真參數(shù)需要經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的問題，通過與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的對比，進(jìn)行仿真方法的標(biāo)定，提高仿真方法的準(zhǔn)確性。
3.Rosenberger風(fēng)載計算依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)（EN1991-1-4）
計算風(fēng)載的標(biāo)準(zhǔn)有兩個：歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1991-1-4和北美標(biāo)準(zhǔn)ANSI/TIA 222。在ANSI/TIA 222標(biāo)準(zhǔn)中，天線被當(dāng)做附屬物，計算風(fēng)載只考慮了平板和圓柱兩種天線形式，而EN1991-1-4則考慮了天線的圓角和厚度的影響，因此計算的風(fēng)載會相對精確一點(diǎn)。
天線的風(fēng)載可以采用下式進(jìn)行計算：






圖3 無圓角、無自由端流的矩形截面的力系數(shù)


圖4 有圓角的矩形截面的折減系數(shù)


圖5 長寬比矯正系數(shù)
4.基于BASTA協(xié)議的風(fēng)洞測試
Rosenberger在吉林大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室完成了天線的風(fēng)洞測試，依據(jù)吉林大學(xué)所提供的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)報告完成此章節(jié)。該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室為開式風(fēng)洞，更符合自然風(fēng)的特點(diǎn)，且風(fēng)洞阻塞比低，無需進(jìn)行阻塞比的修正，關(guān)于阻塞效應(yīng)對風(fēng)洞測試的影響本文在附錄部分進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。本次風(fēng)洞測試實(shí)驗(yàn)符合BASTA V11.1中關(guān)于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的規(guī)定。并且除了完成測力實(shí)驗(yàn)之外，為了能更好的研究天線的空氣動力學(xué)特性，從而能優(yōu)化出風(fēng)阻更低的天線罩，Rosenberger還進(jìn)行了測壓和PIV實(shí)驗(yàn)。

4.1 測力實(shí)驗(yàn)

測力天平測量天線的風(fēng)載力的主要裝置。本次風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的天平為六分量應(yīng)變天平。天平傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體精度優(yōu)于0.05%F.S.(F.S.:Full Scale，滿量程)，確保了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
如圖6和圖7所示，天線安裝在抱桿上，安裝支架支持的抱桿直徑為100mm。天線下傾角為0°。天線的底部與風(fēng)洞底面的之間的距離為300mm，頂部與抱桿齊平。實(shí)驗(yàn)測試風(fēng)速為150Km/h。由于天線結(jié)構(gòu)的對稱性，只需要測試旋轉(zhuǎn)0-180°的數(shù)據(jù)。等待氣流平穩(wěn)之后開始記錄數(shù)據(jù)，每15°執(zhí)行一次測量并記錄一組數(shù)據(jù)，并補(bǔ)充20°角度下的數(shù)據(jù)。
圖6 天線與抱桿安裝示意圖


圖7 天線風(fēng)洞測力實(shí)驗(yàn)圖


而實(shí)際在DATASHEET中只有天線的阻力，因此需要在實(shí)驗(yàn)測得力的基礎(chǔ)上扣除抱桿所受的力。為了方便計算天線所受的風(fēng)載，假設(shè)天線和抱桿是兩個完全獨(dú)立的流體力學(xué)系統(tǒng)。因此天線的阻力可以通過減去抱桿放置在不受擾流氣流中的阻力來獲得。
在不同角度下，抱桿所暴露出來的長度也是不同的。因此根據(jù)抱桿所暴露出來的長度，對每個角度分別進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)的天線在0-60°和120-180°角度下，抱桿只有下面300mm長度露出天線，所以在這些角度下，只需將300mm長度抱桿所受的力扣除即可。在75-105°角度下，抱桿完全暴露出來，所以在這些角度下需要將整個抱桿所受的力完全扣除。則天線在不同角度下的力可以按照下式進(jìn)行計算：


圖8 抱桿不同暴露程度圖
天線的阻力系數(shù)按照下式進(jìn)行計算：
由于天線在不同的風(fēng)向角下有不同的投影面積。為了方便計算，統(tǒng)一取正面的迎風(fēng)面積進(jìn)行計算。圖9展示了一款天線風(fēng)洞測試得到的阻力系數(shù)圖。


圖9 不同風(fēng)向角下天線的阻力系數(shù)圖
4.2 測壓實(shí)驗(yàn)


對天線罩表面進(jìn)行測壓時，采用的設(shè)備有電子壓力掃描閥、塑料套筒、軟管和測壓鋼管。在測量天線表面壓強(qiáng)時，在模型橫截面上共設(shè)置42個測壓點(diǎn)，在模型側(cè)邊圓角過渡處布置了較密的測壓點(diǎn)，其他位置布置較稀疏的測壓點(diǎn)。測壓設(shè)備連接如圖10所示。


圖10 天線風(fēng)洞測壓實(shí)驗(yàn)
測試結(jié)果表明天線在正面與背面壓強(qiáng)分布比較均勻，而在圓角過渡和側(cè)面壓強(qiáng)變化的則比較劇烈。在這些地方，細(xì)小的結(jié)構(gòu)變化，就會導(dǎo)致整個天線的流場形式發(fā)生改變。因此這些地方也是天線風(fēng)阻優(yōu)化的重點(diǎn)區(qū)域。這也表明EN1991-1-4標(biāo)準(zhǔn)對于圓角修正的定義顯得太過寬泛，因此無法適用于經(jīng)過優(yōu)化的天線產(chǎn)品。


圖11 0°天線表面壓強(qiáng)分布
4.3 PIV實(shí)驗(yàn)
PIV又稱粒子圖像測速法(Particle Image Velocimetry)，是一種基于兩個時間點(diǎn)快速攝像原理的非接觸流場分析技術(shù)，其測量原理如圖12所示。實(shí)驗(yàn)過程中，在流場中散播一些適當(dāng)?shù)氖聚櫫Ｗ?，用脈沖激光片（light sheet）照射所測流場的切面區(qū)域，通過成像記錄系統(tǒng)攝取兩次貨多次曝光的粒子圖像，形成PIV實(shí)驗(yàn)圖像，在利用圖像互相關(guān)方法分析PIV圖像，獲得每一小區(qū)域中粒子圖像的平均位移，由此確定整個流場切面上的流體速度。該技術(shù)不僅可以測量流場的速度，而且通過一定的處理可以實(shí)時顯示流場的信息。


圖12 PIV技術(shù)測量原理


圖13 天線風(fēng)洞PIV實(shí)驗(yàn)圖
下圖展示了一個天線的測表面流場的實(shí)時流動情況，從圖中可以看出天線側(cè)表面的流體流動都是貼著天線罩的，沒有出現(xiàn)回流現(xiàn)象，說明該天線罩沒有出現(xiàn)流體的分離，符合流體力學(xué)特性，天線所受的風(fēng)載也較小。


圖14 天線側(cè)表面PIV瞬態(tài)流場圖
相反如果不符合力學(xué)特征的天線罩的流體力學(xué)特征應(yīng)該如圖15所示。從圖中可以看出流體在經(jīng)過天線上端蓋之后發(fā)生了分離，在上端蓋的表面形成了分離渦，分離渦的形成伴隨有劇烈的能量交換，因此流體流經(jīng)端蓋時會消耗很多的能量，從而導(dǎo)致流動的阻力增大，進(jìn)而導(dǎo)致天線所受的風(fēng)載也變大。


圖15 天線上端蓋PIV瞬態(tài)流場圖
Rosenberger通過測力實(shí)驗(yàn)測得了不同截面天線罩的風(fēng)載，通過測壓實(shí)驗(yàn)測得了天線罩表面的壓強(qiáng)的分布，通過PIV實(shí)驗(yàn)可視化了天線罩周圍流體的流動特性，并對此進(jìn)行了定性和定量的分析?；谶@些實(shí)驗(yàn)形成了我們優(yōu)化天線罩風(fēng)載的基礎(chǔ)。
5.Rosenberger風(fēng)載計算方法的定義
圖16-圖18展示了天線風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果、EN1991-1-4和ANSI/TIA 222計算結(jié)果的對比。從圖中可以看出EN1991-1-4和ANSI/TIA 222兩個標(biāo)準(zhǔn)計算的Cd與實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果很大的差距，雖然EN1991-1-4引入了圓角修正系數(shù)，計算風(fēng)載的精度相對提高了一些，但是還是比風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果要大，計算依然偏于保守。偏于保守的標(biāo)準(zhǔn)并不能很好的匹配Rosenberger經(jīng)過優(yōu)化后的天線罩產(chǎn)品。


圖16 正向風(fēng)載


圖17 側(cè)向風(fēng)載


圖18 最大風(fēng)載




圖19 抱桿對流場的影響







6.Rosenberger 風(fēng)載更新說明
6.1 更新風(fēng)載計算方法


Rosenberger風(fēng)載的計算方法和實(shí)驗(yàn)測試方法符合最新版BASTA V11.1協(xié)議要求，并根據(jù)風(fēng)洞測試結(jié)果對EN1991-1-4的計算公式進(jìn)行了修正，具體的修正方法可以參考上文所述。修正后計算的風(fēng)載要比原來采用EN1991-1-4計算的要小，這是由于采用標(biāo)準(zhǔn)計算的結(jié)果是偏于保守的，并不適用于Rosenberger經(jīng)過空氣動力學(xué)優(yōu)化過的天線罩產(chǎn)品。

6.2 取消背部風(fēng)載，增加最大風(fēng)載

基于最新版BASTA V11.1協(xié)議，Rosenberger datasheet中取消天線的背部風(fēng)載，增加最大風(fēng)載。

6.3 天線罩截面的改變

Rosenberger很早就意識到風(fēng)載的重要性，在減小基站天線的風(fēng)阻方面也做了很多工作。正如上文所描述的，Rosenberger在風(fēng)洞中完成了很多測試，這形成了我們優(yōu)化天線罩風(fēng)阻的基礎(chǔ)。又基于CFD仿真技術(shù)，對天線進(jìn)行了風(fēng)阻優(yōu)化，并且這些優(yōu)化的結(jié)果也在風(fēng)洞中得以驗(yàn)證。天線減阻優(yōu)化的其中一個手段是通過改變天線罩的截面形狀，使天線罩的形狀更符合流體力學(xué)特性，從而達(dá)到減阻的目的。Rosenberger對此也進(jìn)行了深入的研究，形成了自己特色的天線罩產(chǎn)品。并且將新的研究成果用于優(yōu)化老的天線罩截面，有的天線罩經(jīng)過優(yōu)化會增加厚度方向的尺寸，這是為了使天線罩更符合流體力學(xué)特性，當(dāng)然這些天線罩也比原來的天線罩風(fēng)阻更低。

6.4 規(guī)格書中風(fēng)載數(shù)據(jù)的使用說明

Rosenberger datasheet中風(fēng)載數(shù)據(jù)是基于風(fēng)洞測試結(jié)果計算得到。雖然Rosenberger的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)采用了開式風(fēng)洞，盡量模擬大自然界中的自然風(fēng)的特點(diǎn)，但是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)畢竟沒有辦法完全模擬出真實(shí)環(huán)境中風(fēng)的情況。因?yàn)檎鎸?shí)環(huán)境中的風(fēng)并不像風(fēng)洞中那樣穩(wěn)定，它可能是脈動的，并且風(fēng)的方向可能隨時發(fā)生變化。即使自然界的風(fēng)是穩(wěn)定的，風(fēng)速的大小也不可能完全和風(fēng)洞中的150 km/s的風(fēng)速完全相同，風(fēng)速與當(dāng)?shù)氐牡匦未植诙取⒏叨?、季?jié)等諸多的因素有關(guān)。因此在實(shí)際的工程應(yīng)該當(dāng)中，現(xiàn)場工程師應(yīng)該要意識到datasheet中的風(fēng)載數(shù)據(jù)使用的限制性，這些數(shù)據(jù)只能作為基站天線塔設(shè)計的參考數(shù)據(jù)。現(xiàn)場工程師需要考慮基站天線塔所處位置的具體因素，并結(jié)合相應(yīng)的工程規(guī)范來評估整個系統(tǒng)的風(fēng)載。
7.附錄

7.1 吉林大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室介紹

吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞是國內(nèi)第一個建設(shè)的專業(yè)汽車風(fēng)洞。于上個世紀(jì)末規(guī)劃設(shè)計，2002年破圖動工建設(shè)。該風(fēng)洞可承擔(dān)各種比例的轎車，卡車等地面車輛的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。
該風(fēng)洞為開口回流低速風(fēng)洞，實(shí)驗(yàn)段噴口2.2米高，4米寬，噴口面積8.4平方米，試驗(yàn)段長度8米，最大設(shè)計風(fēng)速60米每秒，氣流偏航角0.023°，氣流俯仰角0.36°，平均靜壓梯度0.004（1/m）。風(fēng)洞配備了高精度的機(jī)械力分解六分力天平轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)，寬帶式移動帶地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)。


圖20 吉林大學(xué)風(fēng)洞結(jié)構(gòu)簡圖

7.2 風(fēng)洞阻塞效應(yīng)影響

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是研究天線風(fēng)載荷的重要手段，天線進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)時將一定長度的天線安裝在風(fēng)洞中。而實(shí)際使用的天線長度通常都比較長，所以在風(fēng)洞中測試的天線其長度通常也不應(yīng)該過短。所以在進(jìn)行風(fēng)洞測試時，在允許的范圍內(nèi)應(yīng)將待測天線長度做的盡可能的長，以獲取真實(shí)的天線阻力系數(shù)。但是這一設(shè)計思想往往會受到阻塞比的限制。對于試驗(yàn)段截面面積較小的風(fēng)洞而言，阻塞效應(yīng)可能是經(jīng)常面臨的問題。阻塞效應(yīng)主要依賴于模型尺寸和風(fēng)洞工作段截面尺寸，以來流方向的模型投影面積與風(fēng)洞截面面積的比值，即阻塞比為表征。有研究表明阻塞效應(yīng)對垂直于來流的平板壓力系數(shù)的誤差可能高達(dá)真值的數(shù)倍?？梢娮枞?yīng)對于獲得準(zhǔn)確試驗(yàn)結(jié)果的重要性。阻塞效應(yīng)對實(shí)驗(yàn)的影響主要在于，氣流在流經(jīng)天線時會產(chǎn)生繞流和尾流，閉式風(fēng)洞的洞壁約束會使側(cè)面流線和尾流無法自由擴(kuò)展，而在實(shí)際大氣邊界中氣流是沒有任何約束的。


圖21 二維阻塞流場示意圖
一般規(guī)定，阻塞比控制在5%以內(nèi)可以忽略實(shí)驗(yàn)阻塞效應(yīng)的影響。然而如果采用實(shí)際的天線產(chǎn)品進(jìn)行1:1的風(fēng)洞測試，這一阻塞比的要求幾乎沒有閉式風(fēng)洞可以達(dá)到要求。因此通常會考慮采用阻塞比修正的方法來解決這一問題，即在實(shí)驗(yàn)測得的阻力系數(shù)的基礎(chǔ)上乘以一個縮放系數(shù)。在航空和汽車領(lǐng)域，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)阻塞效應(yīng)的理論修正發(fā)展的比較成熟，但是這種修正方法并不適用于天線阻塞效應(yīng)的修正。因?yàn)樘炀€多為鈍體結(jié)構(gòu)，尾流較寬，而飛機(jī)和汽車的外形多為流線型，尾流較窄。對于天線這種鈍體結(jié)構(gòu)需要有一個更為精細(xì)化的修正方法。而阻塞效應(yīng)對開式風(fēng)洞影響較小，不需進(jìn)行阻塞比修正，可以獲得更為準(zhǔn)確的阻力系數(shù)。因此在這種情況下，選擇開式風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是一個比較好的選擇。




本期內(nèi)容是吉林大學(xué)課題組團(tuán)隊(duì)與羅森伯格合作的成果，如有問題歡迎大家聯(lián)系我們或者羅森伯格團(tuán)隊(duì)。
分享到：
 
反對 0 舉報 0 收藏 0 評論 0
滬ICP備11026917號-25