一种兼具防风防雨功能的自动关窗设计

另外，垂直开窗在实际应用中比较少见，风险也比较大;开窗角为70度时足以满足吹风需求，而同时风也较易吹动。
总结起来，窗户最大固定状态维持在开窗角约70时，风作用于窗户上改变窗户状态；在窗户外端位于大概中轴线上三分之一处时，窗户依靠惯性继续改变状态直至关上，基本不受底面阻力。
综上考虑，为减少不必要的摩擦力，在如下图红线所示区域内设置滚动滑块，滑轨上其余处不设置有摩擦阻力的装置；
关键词：风雨天自动关窗窗型设计海绵
Abstract：
The window is closed by the force of wind and other force when the wind itself reaches a level. Meanwhile the window locks itself by something designed for auto-locking. When it rains, the change of gravity of a kind of plastic makethe force of blocking disappear and finally cause the close of the window. This design is not on the basis of an electricity-sensor. It makes it by using an uncomplicated machinery structure to have an advantage in more conditions. Besides, the design is convenient for cleaning and other sides. In conclusion, the power from wind and gravity make it an environmental-friendly design which isneeded seriously in these days.
图1-10
图1-11
另外，窗户在三分之一处以内时可能存在动力不足的情况（原因分析见下文）。对于这种情况，我们设计了两种解决方案：
一、由前面的原理图可知，窗户在闭合的末状态，滑轨上的位移是比较小的。因此设想可以在自动上闩装置或窗框上加装磁性物质（图中未画出），当窗户接近窗框时，可以以磁力作为补充动力；
Key words：Wind, auto-closing window, window design, plastic
目录
1引言：5
2创意产生：6
3创意说明：7
3.1防风：7
3.1.1原理：7
3.1.2基本设计9
3.1.3理论论证：12
3.2防水：14
3.2.1原理：14
3.2.2具体设计：14
3.2.3物理分析：17
但抵消后力的作用效果会有下降，这对风力而言是种浪费，且基于这种模型无法解决。尤其是到观察得到的中轴线三分之一处以内时，作用于中心前后的力几乎相等，动力基本消失；窗户的继续转动只能依靠惯性，而这是不可靠的。
此外，由模型可分析得到：由于角速度 的增大，水平方向上的加速度 会减小；在 时即 ，即质心会有脱离中心轴线的趋势。在理想无阻力的情况下，质心在下落到原高度三分之二时会有这个趋势；各种阻力的存在延缓了速度的增大，即增大了脱离时的下落距离，延缓了此趋势，但并不能解决这个趋势。因此必须考虑在这个趋势出现前依靠另外的动力直接作用于窗户最里端，将窗户拉回关闭位置。
——为空气流速，单位m/s；
A——为迎风面积，单位m²；
风压计算公式：
——风压N/m²（Pa）；
——风速（m/ s）；
五级风的风速为8.0-10.8m/ s;六级风为10.8-13.8m/ s。风速达到这个等级时有关窗的必要。
事实上，风向、风速、风作用面积等条件都是极其复杂且时刻变化的，几乎不可能进行定量分析，只能在建立物理模型、定性计算和实验观察的基础上，大致估计风的作用效果能基本上满足关窗的需求。
3.3自动上闩18
4使用环境：19
5优劣性分析：20
6总结：20
7参考文献：21
1
在风大、尘重的北方，大风刮起往往具有突然性、随机性、持久性，而城市的建筑布局往往使建筑间形成“风道”，使刮风效果更为显著；而沙河校区的情况尤甚，大风有时能用“恐怖”形容。这种情况对屋内无人而又忘记关窗会造成很大的麻烦：屋内吹进大量灰尘、屋内物品被风吹乱，而窗户也容易被吹坏等。同理，北方的暴雨也具有同样的特性，忘记关窗可能带来电子设备的受潮而造成无法弥补的损失，带来的麻烦甚至不亚于大风。
W= =
代入W=35.3J整理，得：
≈13.0m/ s
即六级风的水平，风速较大。此结果大致满足实验观察的结果。
事实上关闭窗户的几何模型可以简化为一个刚体棒绕轴转动的过程，在转动中会有转动惯量J。普通窗型的转动为绕边缘转动， 。力矩还需克服转动惯量使得窗户转动。
新窗型相对于普通窗型而言，其受力和运动状态更加复杂。
撑杆：
如图，撑杆一头接于滑块上，另一头接于窗户中点处焊的连接板上。撑杆的理论长度应该为窗户宽度的 倍。
滑块与滑轨：
由于窗户直接受风力作用而运动，因此提供主要摩擦阻力的滑块与滑轨间的摩擦力大小控制十分重要。既要保证有足够的摩擦力能够使窗户在需要开启时维持足够原状态，又要避免摩擦阻力过大导致风作用力而关不上。
图1-1图
如图所示，该几何模型满足以下性质：
1、窗台滑轨长度略大于窗户宽，实际上要大于其 倍；
2、两个撑杆连接在窗户的一头固定在窗户宽的中点位置，连接在滑轨上的一头位于滑轨的四分之一处；
3、窗户的外侧在从垂直位置关闭时的路径是一个长轴为短轴二倍的四分之一椭圆；
4、窗户的宽的中点在关闭过程中始终位于滑轨的垂直平分线上；
通过查阅资料，我们发现，市面上基于传感器基础上的智能窗户虽然早已存在，但此类设备价格昂贵、配套设施复杂，往往是智能家居系统中的一部分，在实际应用中并没有走进千家万户。而近年来独立于智能家居系统的设计也并未脱离对电能和电子设备的依赖，使得其成本相对实际使用价值较高，经济性比较差。
因此，我们希望设计出一种能够充分应用风能和窗型设计在大风天自动关闭的窗户；而对于下雨自动关窗，我们也希望能尽可能使用简单常见的方法解决，并将其推广，方便千家万户。
我们将新窗型的几何模型简化为一个刚体棒绕中心运动的过程，此运动实际包括平动和转动。在转动过程中，转动惯量 。由于质心位于中点处，所以转动为绕中心的转动，J相比绕边缘转动较小，相对比较容易驱动。
但此刚体受外力效果不同于普通窗型。由于是绕中心转动，所以风力作用在中心前部和后部的效果实际上相互抵消的。由流体力学可得，当可看成流体的低速空气流动作用于一个平板上时，由于流体的黏性，存在一个附面层，使得越靠近平板气流速度越低。虽然此附面层在平板水平上几乎可以忽略，但是在宏观上，作用于墙体表面的风力也可套用此模型，而且墙体表面粗糙，越靠近墙体风速会有一个明显的下降；且窗户最里端实际上位于墙体以内，流体在这个厚度差内会形成紊流层，使得风力作用不集中，作用力明显减小。综合效果使得作用在窗户前部的力大，在窗户后部的力相对小，使得抵消后力的效果不为零。
在经过对周围建筑窗户的实际考察，并结合网上搜寻的资料，决定将窗户大小设计为高1.5米，宽75厘米，采用PVC塑料构造以尽可能减轻质量。
如图，窗户由真空双层玻璃组成，但双层玻璃中间的空隙并不均匀，而是从窗户外端向内段逐渐增大。在窗户受风力作用时，最有效的作用部分为靠近窗户外端的部分，有必要在此处做适当处理使之形成一个凹陷，用以集中风力，增大风力作用效果。
4、窗户易于清洁保养；
5、窗户外型比较美观；
6、安全性能要好；
其中，最主要的预期功能是前三条。
受到物理课本上一种“墙角—滑杆下落”模式的启发，我们设计一种新型的窗型，使之从整体上符合设计要求。
3
3.1
3.1.1
这种窗型的防风功能基于一种几何模型：
图为窗户俯视图的简化图，其中1为窗户，2为连接窗户与窗台滑轨的撑杆，3为窗台滑轨，4为窗户最外端在闭合过程中的虚拟路径，5为在滑轨上滑动的滑块。
通过对滑轨摩擦阻力的设计，可以使窗户在难以继续转动的时刻尽可能不受阻力；同时理论计算是从窗户垂直开启的时刻计算，但在实际应用中很少出现这种情况，因此一般所需风速会低于计算值，但不会低很多。
总的来说，依靠风力可以开启关窗过程，但窗型设计上的种种原因限制了风力，使其若想满足关窗需求需要更大的风速。而普通窗型的关窗风速理论值已经很大，继续增大的话不易获得，而且也不安全，违反了设计的初衷。因此需要依靠风力和其他的动力来共同关窗。
图1-2
图1-3
图1-4
由这个几何模型所推导，该窗型应具有的特点为：
1、窗户并没有一个固定的转轴，该轴可在滑轨上移动，使得窗户在相反方向的风的作用下也能实现关闭，实现不同风向关窗的特色；
2、窗户没有固定的内外侧，可以实现两面关窗，方便对窗户的清洁；
3、在防风方面，该窗型主要借助撑杆和自由转轴的作用，外型上相对简洁美观；
3.2
3.2.1
防水的基本原理较为简单，即：一直存在一个可能使窗户回关的力，但因一直有阻碍力存在而未能施行；下雨后因受潮状态改变导致阻碍力消失，回关力发挥作用，关上窗户。
二、借用下雨关窗的阻碍装置（见下文2.3阻碍装置部分）。
3.1.3
经过查阅资料，与之相关的物理方程大概有：
风能方程：E=1/2（ ts ）
——空气密度（kg/m³）；
——风速（m/ s）；
t——时间（）；
S——截面面积（m²）。
风力计算公式：F=P*v²*A
F——风力；
P——为空气密度，单位kg/m³，25摄氏度时空气密度约为1.185kg/m3；
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一种兼具防风防雨功能的自动关窗设计
摘 要
窗户打开时，位于居中位置；风力大到一定地步，作用于窗户上的风力在和其他力的和作用下将窗户吹关上，同时自动上闩装置合扣，窗户关闭；下雨时，通过海绵的重力变化带动传动装置，使阻碍力消失，窗户关闭。本设计基于脱离电子传感设备的基础上，采用相对简单的机械装置达到要求，在复杂多变的环境下更具优势。此外，窗户具有便于清洁、防盗等优点。此设计不采用电力驱动，关窗能源来自风力和重力，符合低碳环保的宗旨。