胡丹梅, 孫　凱, 張志超

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上?！?00090)

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回流式低速風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)的測(cè)試及分析

胡丹梅, 孫凱, 張志超

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海200090)

針對(duì)上海電力學(xué)院新建的回流式低速風(fēng)洞,介紹了該風(fēng)洞的流場(chǎng)品質(zhì)的校測(cè)方法,并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,主要包括風(fēng)速范圍、動(dòng)壓穩(wěn)定性、動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)、局部氣流偏角、紊流度及噪聲6種數(shù)據(jù).測(cè)試結(jié)果說(shuō)明,該風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)滿足工程研究的要求.

回流式低速風(fēng)洞; 流場(chǎng)品質(zhì); 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)

風(fēng)洞在航空、氣象、工程研究等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用.風(fēng)洞種類繁多,按行業(yè)分類,有航空風(fēng)洞和工業(yè)風(fēng)洞;按試驗(yàn)段氣流速度大小分類,有低速、高速和超高速風(fēng)洞;按回路分類,有直流式、回流式風(fēng)洞;按運(yùn)動(dòng)時(shí)間分類,有連續(xù)式和暫沖式風(fēng)洞[1].

建設(shè)風(fēng)洞的目的就是要在風(fēng)洞的試驗(yàn)段獲得均勻的、可以控制的試驗(yàn)氣流,從而滿足模型氣動(dòng)力試驗(yàn)的要求.當(dāng)一座風(fēng)洞建成之后,需要進(jìn)行流場(chǎng)校測(cè),目的是實(shí)測(cè)出新風(fēng)洞的性能和流場(chǎng)品質(zhì),以檢驗(yàn)風(fēng)洞是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求.良好的風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)是獲得可靠試驗(yàn)結(jié)果的重要前提.

上海電力學(xué)院于2012年建成了回流式低速式風(fēng)洞的試驗(yàn)裝置,需要對(duì)該風(fēng)洞的整體運(yùn)行情況和試驗(yàn)段內(nèi)的流場(chǎng)特性進(jìn)行了解,對(duì)風(fēng)洞整體的總體性能做出評(píng)價(jià),為今后的一些空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)做準(zhǔn)備.

1　風(fēng)洞結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)總體性能指標(biāo)

1.1風(fēng)洞的整體結(jié)構(gòu)

上海電力學(xué)院風(fēng)洞試驗(yàn)室建成的風(fēng)洞屬于回流式低速式風(fēng)洞,試驗(yàn)段為開(kāi)閉兩用試驗(yàn)段.利用該風(fēng)洞的閉口試驗(yàn)段進(jìn)行流場(chǎng)品質(zhì)的校測(cè),尺寸為1.4 m×1.4 m×0.31 m的矩形切角截面,試驗(yàn)段長(zhǎng)度為1.8 m.穩(wěn)定段內(nèi)采用1層蜂窩器和2層阻尼網(wǎng)進(jìn)行整流,提高了試驗(yàn)段的流場(chǎng)均勻性,并降低了湍流度[2-4].動(dòng)力段采用風(fēng)扇-止旋片構(gòu)型風(fēng)扇系統(tǒng)作為動(dòng)力源,由12片槳葉和7片止旋片組成,為了控制噪聲,對(duì)風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行高效率低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)[5].收縮段的收縮比為5.44,入口為方形截面,出口截面為矩形切角,收縮曲線選取常用的雙三次收縮曲線[6].風(fēng)洞整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

1.2風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)的總體指標(biāo)

圖1　回流式低速式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意

2　實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法與測(cè)量結(jié)果分析

2.1風(fēng)速范圍

在低速氣流中,利用由熱線風(fēng)速儀和量程為0～2 000 Pa的微差壓傳感器組成的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量.

根據(jù)伯努利方程可求出氣流的速度.即:

(1)

式中:ξ——風(fēng)速管修正系數(shù);

Δpm——總壓與靜壓之差;

ρ——?dú)饬髅芏?為1.225 kg/m3.

測(cè)量結(jié)果為:用熱線風(fēng)速儀測(cè)得的最小穩(wěn)定風(fēng)速為0.2 m/s,用微差壓傳感器測(cè)得的最大穩(wěn)定風(fēng)速為50.0 m/s,最終確定風(fēng)洞風(fēng)速在0.2～50.0 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),滿足風(fēng)洞流場(chǎng)的設(shè)計(jì)指標(biāo).

2.2動(dòng)壓穩(wěn)定性

動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)η定義為:在規(guī)定的時(shí)間間隔(一般為1 min)內(nèi),瞬時(shí)動(dòng)壓最大值和最小值的差與和的比值,即:

(2)

式中:qmax,qmin——瞬時(shí)動(dòng)壓的最大值和最小值.

根據(jù)動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)的定義及本風(fēng)洞的試驗(yàn)段情況,在實(shí)驗(yàn)段中心位置軸線附近安裝一支標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速管,如圖2所示.

在常用動(dòng)壓范圍內(nèi),測(cè)量動(dòng)壓隨時(shí)間的變化,一般要求在1 min之內(nèi)采集120個(gè)點(diǎn),本次測(cè)量實(shí)際采集150個(gè)點(diǎn).標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速管的前端孔所測(cè)數(shù)據(jù)為試驗(yàn)段總壓,風(fēng)速管中間的孔所測(cè)數(shù)據(jù)為靜壓,二者之差即為氣流動(dòng)壓,每次動(dòng)壓穩(wěn)定后,從中選取最大值qmax和最小值qmin,代入式(2)即可求得動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù).

圖2　動(dòng)壓測(cè)量裝置示意

在不同風(fēng)速下,試驗(yàn)段的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)η如表1所示.由表1可以看出,風(fēng)洞的穩(wěn)定性系數(shù)均小于0.003,優(yōu)于設(shè)計(jì)要求.

表1　不同風(fēng)速下試驗(yàn)段的動(dòng)壓穩(wěn)定性系數(shù)

2.3動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)

動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)可用來(lái)反映氣流動(dòng)壓在空間的分布情況.鑒于風(fēng)洞規(guī)模不是很大,本實(shí)驗(yàn)采取最簡(jiǎn)單的方法,就是用風(fēng)速管逐點(diǎn)逐點(diǎn)地在試驗(yàn)段里測(cè)量動(dòng)壓,圖3為動(dòng)壓場(chǎng)測(cè)量示意圖.在實(shí)驗(yàn)段選取兩個(gè)測(cè)試截面(1#和2#截面),位置分別在試驗(yàn)段中心位置前后50 cm 處,每個(gè)截面選取9個(gè)點(diǎn),分別在30 m/s,35 m/s,40 m/s,45 m/s的風(fēng)速下測(cè)量.測(cè)試點(diǎn)分布如圖3b所示,順著氣流方向看,測(cè)試點(diǎn)的位置左右距離洞壁30 cm,上下距離洞壁30 cm.測(cè)試點(diǎn)1,測(cè)試點(diǎn)2,測(cè)試點(diǎn)3之間的間隔為35 cm;測(cè)試點(diǎn)1,測(cè)試點(diǎn)4,測(cè)試點(diǎn)7之間的間隔為35 cm;測(cè)試點(diǎn)對(duì)稱分布.

圖3　動(dòng)壓場(chǎng)測(cè)量示意

利用風(fēng)速管的原理,求出不同速度下動(dòng)壓的平均值為:

(3)

式中:qi——第i點(diǎn)動(dòng)壓,Pa;

qpj——模型區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)動(dòng)壓平均值,Pa;

m——模型區(qū)內(nèi)動(dòng)壓測(cè)點(diǎn)數(shù),取m=9.

試驗(yàn)段的動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)為:

(4)

式中:μi——第i點(diǎn)動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù).

通過(guò)計(jì)算可以得到兩個(gè)截面上測(cè)點(diǎn)的動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)分布圖,如圖4所示.

從圖4可以看出,在不同風(fēng)速下兩個(gè)截面的動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求(≤±0.003%),最終確定風(fēng)洞流場(chǎng)的不均勻性滿足設(shè)計(jì)要求.

2.4試驗(yàn)段局部氣流偏角

試驗(yàn)段局部氣流方向是指試驗(yàn)段內(nèi)任何一點(diǎn)的氣流方向與風(fēng)洞軸線的夾角(風(fēng)洞軸線與水平面夾角α角和風(fēng)洞軸線與垂直面夾角β角).截面的選取及測(cè)試點(diǎn)的分布與測(cè)量動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)時(shí)一樣.本實(shí)驗(yàn)使用五孔探頭進(jìn)行測(cè)量,如圖5所示.五孔探頭是直徑10 mm的帶有半球體頭的直圓柱探測(cè)管,球頭開(kāi)一個(gè)垂直球面的總壓孔,在總壓孔上下左右均勻分布4個(gè)靜壓孔,靜壓孔軸線與探頭軸線成45°角.當(dāng)氣流與探測(cè)管中心線平行時(shí),上下孔、左右孔的壓力分別相等[8].

圖4　1#和2#截面動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)分布

當(dāng)氣流不平行于探測(cè)管軸線時(shí),將探頭置于試驗(yàn)段中心,就可測(cè)量試驗(yàn)段氣流的流動(dòng)方向.探頭壓差系數(shù)為:

(5)

(6)

式中:ΔCpa——探頭上、下測(cè)點(diǎn)的壓差系數(shù);

ΔCpo——探頭左、右測(cè)點(diǎn)的壓差系數(shù);

pU,pD,pL,pR——探頭上、下、左、右測(cè)點(diǎn)的壓力,Pa;

q——試驗(yàn)時(shí)的動(dòng)壓.

圖5　五孔探頭結(jié)構(gòu)

計(jì)算出探頭壓差系數(shù)后,從對(duì)應(yīng)的探頭校正曲線上可以查出相應(yīng)的氣流偏角[9].

整理后可得每個(gè)截面相應(yīng)的氣流偏角分布圖,如圖6所示.從圖6可以看出,試驗(yàn)段的局部氣流偏角α≤0.3°,β≤0.3°,均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求.

圖6　1#和2#截面的氣流偏角分布

2.5試驗(yàn)段紊流度

氣流中存在著微小的旋渦運(yùn)動(dòng),因而試驗(yàn)段里任何一點(diǎn)的氣流速度總存在著微小脈動(dòng),通常用紊流度來(lái)衡量氣流脈動(dòng)的強(qiáng)度.紊流度直接影響模型的氣動(dòng)特性,是一個(gè)重要的流場(chǎng)參數(shù),可采用湍流球、熱線風(fēng)速儀及激光測(cè)速儀等測(cè)量.本實(shí)驗(yàn)采用紊流球進(jìn)行測(cè)量,其結(jié)構(gòu)如圖7所示[10].

圖7　紊流球結(jié)構(gòu)示意

紊流球的壓差系數(shù)為:

(7)

式中:po——紊流球的駐點(diǎn)壓力,Pa;

ps——球后部表面上與順自由流方向的直徑成22.5°的點(diǎn)的平均靜壓,Pa.

壓差系數(shù)所對(duì)應(yīng)的臨界雷諾數(shù)為:

(8)

式中:D——紊流球直徑,m;

ν——空氣運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),m2/s.

通過(guò)計(jì)算所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.繪制壓力系數(shù)Cp隨雷諾數(shù)Re變化的曲線如圖8所示.

表2　紊流球的測(cè)量與計(jì)算數(shù)據(jù)

從曲線上查出對(duì)應(yīng)于壓力系數(shù)Cp=1.22的臨界雷諾數(shù)Recr=382 329.7,利用

(9)

式中:ε——紊流耗散率.

求出試驗(yàn)段中心位置的紊流度為0.09%,優(yōu)于風(fēng)洞的設(shè)計(jì)指標(biāo)0.2%,因此風(fēng)洞的紊流度也符合設(shè)計(jì)要求.

圖8　Cp-Re曲線

2.6噪聲

本實(shí)驗(yàn)采用AR814噪聲計(jì)對(duì)風(fēng)洞周圍的噪聲進(jìn)行測(cè)量.風(fēng)速≤50.0 m/s時(shí),在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室外10 m處,噪聲不大于55分貝,在操作室內(nèi)為65.8分貝.測(cè)量結(jié)果表明,該風(fēng)洞滿足設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境噪聲的要求.

3　結(jié)　語(yǔ)

本文介紹了回流式低速風(fēng)洞流場(chǎng)測(cè)試的典型方法,從風(fēng)洞風(fēng)速、動(dòng)壓穩(wěn)定性、動(dòng)壓場(chǎng)系數(shù)、氣流方向場(chǎng)(局部氣流偏角)、試驗(yàn)段紊流度以及風(fēng)洞周圍的噪聲等方面進(jìn)行了測(cè)試.測(cè)試結(jié)果表明,上海電力學(xué)院回流式低速風(fēng)洞具有良好的流場(chǎng)品質(zhì),滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求,完全能勝任工程研究的需要.

[1]艾倫·波普.低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[M].彭錫銘,嚴(yán)俊仁,譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1980:10-20.

[2]BUROV V V.Measuring and computational system of TsAGI T-128 transonic wind tunnel[J].Automation and Remote Control,2012,72(3):634-641.

[3]GREEN J.A short history of the European transonic wind tunnel ETW[J].Progress in Aerospace Sciences,2011,47(5):319-368.

[4]侯志勇,王連澤.低(變)湍流度風(fēng)洞設(shè)計(jì)再探討[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2011,25(1):91-95.

[5]楊廣珺,白存儒.低湍流度風(fēng)洞動(dòng)力段振動(dòng)源與傳遞途徑研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010,29(10):1 277-1 281.

[6]郗中祥,解亞軍.NF-3風(fēng)洞設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J].氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量控制,1996,10(4):39-49.

[7]中國(guó)軍用電子原器件質(zhì)量認(rèn)證委員會(huì).GJB1179—91高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)規(guī)范[EB/OL].(1991-10-18)[2015-03-01].http://www.bzfxw.com/soft/softdown.asp?softid=125511.

[8]王濤,李飛行.五孔探針結(jié)構(gòu)和校準(zhǔn)[J].設(shè)計(jì)·研究·分析,2012,19(4):19-22.

[9]范潔川.風(fēng)洞試驗(yàn)手冊(cè)[M].北京:航空工業(yè)出版社,2002:245-249.

[10]中國(guó)人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會(huì).低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002:68-77.

(編輯白林雪)

Testing and Analysis of the Flow Quality of the Low SpeedClosed Circuit Wind Tunnel

HU Danmei, SUN Kai, ZHANG Zhichao

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

The testing method and data analysis of the flow quality of the wind tunnel,as a new low speed closed circuit wind tunnel in Shanghai University of Electric Power are presented.The testing contents include such six kinds of data as the range of wind speed,kinetic pressure stability,kinetic pressure field coefficient,local flow angularity,tubulence level and noise in the test section.The results show that the flow quality of this wind tunnel may meet the requirements of the structural wind tunnel test.

low speed closed circuit wind tunnel; flow quality; wind tunnel structure

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.001

2015-03-23

簡(jiǎn)介：胡丹梅(1972-),女,博士,教授,湖南衡南人,主要研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械、風(fēng)能利用技術(shù).E-mail:hudanmei @shiep.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金(50706025);江蘇省水利動(dòng)力工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(K13024);上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZZ154);上海市教育委員會(huì)部分地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目(13160501000).

U661.71

A

1006-4729(2016)03-0211-05