余世策, 蔣建群, 樓文娟, 孫炳楠

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 杭州 310058)

0 引 言

風(fēng)洞是產(chǎn)生氣流的裝置，在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程、航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，隨著國(guó)內(nèi)現(xiàn)代化建設(shè)的蓬勃發(fā)展，超高層建筑、大型體育館和大跨度橋梁如雨后春筍般涌現(xiàn)，這些大型工程的抗風(fēng)問題是工程建設(shè)中最關(guān)注的問題之一。在這一背景下民用大氣邊界層風(fēng)洞的建設(shè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，近些年國(guó)內(nèi)興建了一大批大氣邊界層風(fēng)洞[1-4]，我國(guó)民用建筑大型邊界層風(fēng)洞的數(shù)量已居世界前列。風(fēng)洞的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是風(fēng)洞建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響邊界層風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)包括氣流均勻性、軸向靜壓梯度、湍流強(qiáng)度等指標(biāo)，而這些指標(biāo)則直接影響建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)工程風(fēng)洞試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于風(fēng)洞的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做了不少工作，李強(qiáng)等[4]對(duì)其主要部件(包括斜流式風(fēng)機(jī)、穩(wěn)定段、收縮段和試驗(yàn)段等)進(jìn)行詳細(xì)的氣動(dòng)計(jì)算；祝長(zhǎng)江等[5]針對(duì)Φ5m立式風(fēng)洞垂直布置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；廖達(dá)雄等[6]介紹了連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了如何降低風(fēng)洞氣流脈動(dòng)，改善流場(chǎng)品質(zhì)；朱幼君等[7]從流體動(dòng)力學(xué)及聲學(xué)兩方面綜合考慮，在滿足試驗(yàn)段流速要求的前提下，提高試驗(yàn)段流場(chǎng)均勻性，降低試驗(yàn)段背景噪聲；周勇為等[8]采用在國(guó)內(nèi)外比較罕見的帶大角度擴(kuò)散段的離心下吹式形式設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)首座低湍流度磁懸浮風(fēng)洞；侯志勇等[9]對(duì)減湍起重要作用的收縮段和穩(wěn)定段布局設(shè)計(jì)提出了新的通用便捷方法等。以上研究?jī)?nèi)容對(duì)風(fēng)洞的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很好的借鑒意義。

本文以浙江大學(xué)ZD-1邊界層風(fēng)洞建設(shè)為背景，詳細(xì)介紹該風(fēng)洞氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，并對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)校測(cè)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到一些重要的結(jié)論，對(duì)于類似邊界層風(fēng)洞建設(shè)有一定的參考價(jià)值。

1 風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)

為了提高風(fēng)洞的使用率，浙江大學(xué)ZD-1風(fēng)洞設(shè)計(jì)考慮了該風(fēng)洞應(yīng)具有建筑、橋梁、交通、工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)、航空航天等方面的試驗(yàn)和研究功能。首先風(fēng)洞試驗(yàn)段要求有較大的截面，以滿足大比例建筑、橋梁模型的風(fēng)洞試驗(yàn)；其次風(fēng)洞試驗(yàn)段要求有較寬的風(fēng)速范圍，以滿足地面交通工具和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)以及雷諾數(shù)效應(yīng)試驗(yàn)對(duì)高風(fēng)速的要求；最后試驗(yàn)段還應(yīng)具有較高的流場(chǎng)品質(zhì)，以滿足低背景湍流的航空航天類或其它基礎(chǔ)空氣動(dòng)力學(xué)研究的需求。為達(dá)到上述目標(biāo)，課題組經(jīng)過反復(fù)論證，在近800m2的占地面積限制下，設(shè)計(jì)出了能滿足目標(biāo)功能需求的大型回流邊界層風(fēng)洞，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，其設(shè)計(jì)性能指標(biāo)如表2所示。

表1 風(fēng)洞主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 風(fēng)洞設(shè)計(jì)性能指標(biāo)

2 風(fēng)洞氣動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1洞體氣動(dòng)輪廓

根據(jù)風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù)，經(jīng)過方案可行性論證，確定風(fēng)洞的氣動(dòng)輪廓圖，如圖1所示。擬建風(fēng)洞由1個(gè)動(dòng)力段、3個(gè)擴(kuò)散段、1個(gè)等截面段、1個(gè)收縮段、1個(gè)試驗(yàn)段、4個(gè)拐角段組成，為抵消邊界層增厚對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)的影響，風(fēng)洞試驗(yàn)段采用水平微幅擴(kuò)散的方法，試驗(yàn)段和3個(gè)擴(kuò)散段的擴(kuò)散角數(shù)據(jù)如表3所示，可以看出各段當(dāng)量擴(kuò)散角均小于7°，可避免發(fā)生氣流分離現(xiàn)象，值得注意的是試驗(yàn)段也設(shè)置了0.22°的當(dāng)量擴(kuò)散角，為平衡風(fēng)洞內(nèi)外的壓力差，在試驗(yàn)段與第一試驗(yàn)段交界處設(shè)置了寬180mm的壓力平衡縫。

表3 風(fēng)洞各段擴(kuò)散角數(shù)據(jù)

圖1 風(fēng)洞氣動(dòng)輪廓圖(單位：m)

2.2收縮段收縮曲線計(jì)算

收縮段的作用是均勻加速氣流，使其達(dá)到試驗(yàn)段所需要的流速，同時(shí)進(jìn)一步改善氣流的流動(dòng)品質(zhì)，降低湍流度。本風(fēng)洞采用維特辛斯基三維收縮曲線計(jì)算公式來設(shè)計(jì)收縮曲線，可獲得良好的試驗(yàn)段氣流品質(zhì)，計(jì)算公式如下：

(1)

圖2 收縮曲線外形圖(單位：m)

2.3拐角及拐角導(dǎo)流片設(shè)計(jì)

由于本風(fēng)洞為單回流型式，通過4個(gè)90°的拐角形成回流，每個(gè)拐角的進(jìn)出口截面積相等。由于氣流流過4個(gè)拐角的損失將占到風(fēng)洞全部損失的40%以上，所以拐角導(dǎo)流片的設(shè)計(jì)極為重要。以往較早建成的風(fēng)洞大多采用翼形結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流片，目前大多數(shù)風(fēng)洞已采用薄板彎曲成型的導(dǎo)流片。本風(fēng)洞拐角導(dǎo)流片外形按文獻(xiàn)[10]提供的方法進(jìn)行特殊處理。該導(dǎo)流片設(shè)計(jì)已應(yīng)用于日本東北大學(xué)的低湍流度風(fēng)洞，效果很好。取第一拐角的內(nèi)壁圓弧半徑(即導(dǎo)流片圓弧半徑)為800mm，第二拐角、第三與第四拐角為900mm，導(dǎo)流片在各拐角對(duì)角線方向等間隔排列，第一、二、三、四拐角的導(dǎo)流片分別為9片、10片、13片與13片。導(dǎo)流片外形如圖3所示，導(dǎo)流片的外形由圓弧BC(半徑R)加兩端直線AB及CD組成，弦長(zhǎng)為AD，兩端直線長(zhǎng)為L(zhǎng)(=0.1AD)且相等，導(dǎo)流片進(jìn)口端直線AB與來流之夾角α1=4°，出口端直線CD平行于風(fēng)洞軸線，夾角α2=0°，導(dǎo)流片弦線AD與來流之夾角(即安裝角)α=47°。

2.4風(fēng)扇葉片和整流罩設(shè)計(jì)

風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)方法主要有Patterson、Collar和Wallis法。本風(fēng)洞采用文獻(xiàn)[10]提供的設(shè)計(jì)方法，即把風(fēng)扇及其整流系統(tǒng)作為一個(gè)整體來考慮，計(jì)算過程解析化，借助計(jì)算機(jī)可方便地給出設(shè)計(jì)結(jié)果，葉片設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。整流罩由前罩、中罩(柱段)和尾罩3部分組成，前罩和尾罩的外形曲線按流線型旋成體坐標(biāo)值確定，中罩根據(jù)風(fēng)扇輪轂及電機(jī)安裝尺寸要求確定其長(zhǎng)度?，F(xiàn)風(fēng)扇段直徑為4.8m，當(dāng)罩殼比(即風(fēng)扇處整流罩直徑與風(fēng)扇直徑之比)為0.5時(shí)，整流罩最大直徑為2.4m；當(dāng)整流罩長(zhǎng)細(xì)比為3時(shí)，其阻力最小，因此整流罩頭尾部分總長(zhǎng) 7.2m。因前罩和尾罩長(zhǎng)分別為其總長(zhǎng)的40%及60%，故前罩長(zhǎng)為2.88m，后罩長(zhǎng)為4.32m。

圖3 拐角導(dǎo)流片外形圖

表4葉片設(shè)計(jì)參數(shù)

Table4Bladedesignparameters

相對(duì)半徑葉片弦長(zhǎng)C/mm扭轉(zhuǎn)角θ/(°)升力系數(shù)CL總效率ηT0．0391．200．80000．810．1373．7?3．290．77820．810．2356．2?6．10．76130．810．3338．7?8．510．74920．810．4321．1?10．620．74170．810．5303．6?12．460．73870．810．6286．1?14．080．74040．800．7268．6?15．530．74690．800．8251．1?16．830．75860．800．9233．5?17．990．77600．791．0216．0?19．050．80000．79

2.5蜂窩器和阻尼網(wǎng)設(shè)計(jì)

穩(wěn)定段內(nèi)安裝有蜂窩器和阻尼網(wǎng)，其作用是導(dǎo)直氣流、提高氣流品質(zhì)、降低湍流度。蜂窩器為玻璃鋼結(jié)構(gòu)，由正六角形蜂窩格子(對(duì)邊距離30mm)膠接而成，深300mm；阻尼網(wǎng)共兩層安裝在蜂窩器后面，由不銹鋼絲編織而成，其規(guī)格為18目/英寸。根據(jù)文獻(xiàn)[10]對(duì)湍流度的理論估算，若阻尼網(wǎng)前氣流湍流度為2%～3%，則試驗(yàn)段內(nèi)的湍流度將降為0.38%～0.57%。

2.6風(fēng)洞能量比、電機(jī)功率及風(fēng)扇增壓量計(jì)算

3 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)洞的氣動(dòng)外形及占地面積的限制，本風(fēng)洞采用了鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的立式混合結(jié)構(gòu)型式，其中穩(wěn)定段、收縮段、試驗(yàn)段、第一擴(kuò)散段和動(dòng)力段采用鋼結(jié)構(gòu)、第二、第三擴(kuò)散段、等截面段和4個(gè)拐角段均采用混凝土結(jié)構(gòu)，動(dòng)力段位于地下一層，最低點(diǎn)標(biāo)高為-7.0m，試驗(yàn)段位于二層，最高點(diǎn)標(biāo)高約為10.0m，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖

4 風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)測(cè)試

風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)測(cè)試是檢驗(yàn)風(fēng)洞氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要環(huán)節(jié)，自風(fēng)洞建成后課題組組織專家對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)進(jìn)行了全面的校測(cè)[11]，流場(chǎng)校測(cè)依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行[12]，主要包括空風(fēng)洞風(fēng)速及能量比、動(dòng)壓穩(wěn)定系數(shù)、試驗(yàn)段軸向靜壓梯度、試驗(yàn)段截面動(dòng)壓場(chǎng)不均勻性、試驗(yàn)段截面方向場(chǎng)不均勻性和湍流度分布等內(nèi)容的測(cè)試。

4.1空風(fēng)洞風(fēng)速及能量比測(cè)試

由標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速管感受風(fēng)洞運(yùn)行穩(wěn)定后的試驗(yàn)段氣流動(dòng)壓，經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，記錄對(duì)應(yīng)不同輸出功率條件下的動(dòng)壓(風(fēng)速)，輸出功率由直流調(diào)速柜的直流電壓表和直流電流表讀出，測(cè)試結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求風(fēng)速V=55m/s時(shí)，消耗功率603kW，僅為電機(jī)額定功率的60%，轉(zhuǎn)速也只達(dá)到481r/min， 為額定轉(zhuǎn)速的90%?？梢姡L(fēng)洞還可以提供更高的最大風(fēng)速。從風(fēng)洞能量比數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)測(cè)最大能量比接近2.0，與估算值相比略為偏小。

表5 風(fēng)洞風(fēng)速和能量比測(cè)試結(jié)果

4.2動(dòng)壓穩(wěn)定系數(shù)

動(dòng)壓穩(wěn)定系數(shù)表征了動(dòng)壓的穩(wěn)定性，由皮托管感受風(fēng)洞運(yùn)行穩(wěn)定后的試驗(yàn)段氣流動(dòng)壓，經(jīng)電子式壓力掃描閥轉(zhuǎn)換成電信號(hào)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，記錄給定風(fēng)速下達(dá)到穩(wěn)態(tài)后1min的時(shí)間歷程，獲得1min內(nèi)氣流動(dòng)壓的最大值qmax和最小值qmin，計(jì)算出動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)η：

(2)

表6為不同風(fēng)速下前后轉(zhuǎn)盤截面中心處氣流的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)?？梢钥闯觯瑑煞N風(fēng)速下，動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)均小于1%，40m/s風(fēng)速下主試驗(yàn)區(qū)的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)均小于0.5%，達(dá)到了航空風(fēng)洞的標(biāo)準(zhǔn)。

表6 風(fēng)洞動(dòng)壓穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

4.3試驗(yàn)段軸向靜壓梯度

軸向靜壓梯度是衡量試驗(yàn)段軸向靜壓變化的重要指標(biāo)，采用下式計(jì)算：

(3)

式中：Xi為第i測(cè)點(diǎn)距試驗(yàn)段入口的距離；Cpi為第i測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)；m為測(cè)量點(diǎn)數(shù)。針對(duì)試驗(yàn)段后轉(zhuǎn)盤和前轉(zhuǎn)盤兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)，以轉(zhuǎn)盤中心截面為中線，以1m為間距，分別測(cè)試了中線前后3m共7個(gè)截面的靜壓系數(shù)，代入式(3)得到軸向靜壓梯度，結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?，后轉(zhuǎn)盤區(qū)的軸向靜壓梯度略為偏大，但仍低于1.0%的指標(biāo)，由于在氣動(dòng)設(shè)計(jì)中對(duì)試驗(yàn)段設(shè)置了一定的擴(kuò)散角，保證了較低的軸向靜壓梯度，滿足了設(shè)計(jì)要求。

表7 風(fēng)洞軸向靜壓梯度測(cè)試結(jié)果

4.4試驗(yàn)段截面動(dòng)壓場(chǎng)不均勻性

用動(dòng)壓探頭測(cè)出試驗(yàn)段模型區(qū)內(nèi)的動(dòng)壓分布，按下列公式計(jì)算動(dòng)壓場(chǎng)不均勻性系數(shù)μi：

(4)

圖5 40m/s風(fēng)速下后轉(zhuǎn)盤動(dòng)壓場(chǎng)不均勻性系數(shù)分布

4.5試驗(yàn)段截面方向場(chǎng)不均勻性

試驗(yàn)段截面方向場(chǎng)不均勻性采用五孔探針測(cè)定，試驗(yàn)得到截面156個(gè)測(cè)點(diǎn)的水平氣流偏角Δβ和豎向氣流偏角Δα，圖6為40m/s風(fēng)速下后轉(zhuǎn)盤中心截面水平氣流偏角和豎向氣流偏角的等值線曲線圖?？梢钥闯?，水平氣流偏角和豎向氣流偏角均小于1°，除靠近上壁面的局部區(qū)域大于0.5°外，其余部分區(qū)域小于0.5°；同時(shí)也可以注意到，水平氣流偏角Δβ水平方向呈現(xiàn)一定的反對(duì)稱特征，豎向氣流偏角Δα水平方向一致性較好，這也說明了由于立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)區(qū)域水平方向流場(chǎng)品質(zhì)要優(yōu)于豎直方向。

圖6 40m/s風(fēng)速下后轉(zhuǎn)盤截面氣流偏角分布

4.6試驗(yàn)段湍流度

湍流度是評(píng)價(jià)風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，采用下式計(jì)算：

(4)

式中：σ為脈動(dòng)風(fēng)速均方根，U為脈動(dòng)風(fēng)速平均值。流場(chǎng)校測(cè)時(shí)采用熱線風(fēng)速儀測(cè)試各截面均布的42個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程，統(tǒng)計(jì)得到各測(cè)點(diǎn)的湍流度，將截面各測(cè)點(diǎn)湍流度的平均值和最大值列于表8中?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)主要截面在兩個(gè)風(fēng)速下的湍流度最大值均不超過0.5%，均優(yōu)于1.0%的設(shè)計(jì)要求指標(biāo)，而平均值則只在0.3%附近，這說明對(duì)于蜂窩器和阻尼網(wǎng)的設(shè)計(jì)是成功的，測(cè)試結(jié)果與估算值較為接近。

表8 風(fēng)洞試驗(yàn)段湍流度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

通過對(duì)浙江大學(xué)ZD-1邊界層風(fēng)洞的氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及風(fēng)洞建成后的流場(chǎng)校測(cè)，得出以下結(jié)論：

(1) 氣動(dòng)設(shè)計(jì)包括擴(kuò)散角設(shè)計(jì)、拐角片設(shè)計(jì)和收縮曲線設(shè)計(jì)方法是合理的；

(2) 在試驗(yàn)段中設(shè)置擴(kuò)散角有利于降低軸向靜壓梯度，提高流場(chǎng)品質(zhì)；

(3) 立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了速度場(chǎng)和方向場(chǎng)的水平均勻性，對(duì)提升邊界層風(fēng)洞測(cè)試精度效果明顯。

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作者簡(jiǎn)介:

余世策(1979-), 男, 浙江樂清人, 博士, 高級(jí)工程師。研究方向：結(jié)構(gòu)風(fēng)工程。通訊地址：浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院(310058)。E-mail:yusc@zju.edu.cn