高勝寒，李宏剛，王國龍，張 堃，吳肇蘇

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

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小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

高勝寒，李宏剛*，王國龍，張 堃，吳肇蘇

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

為了對車身外部凸出物以及小比例油泥模型的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行評估，本研究設(shè)計(jì)了一種流場可視化的低速開路式小型風(fēng)洞，該風(fēng)洞采用離心式風(fēng)機(jī)為氣流加速，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)風(fēng)速為120 km/h。完成了迷你風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)形式的選擇，給出了各個(gè)段基本結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算方法，以及風(fēng)機(jī)流量、電機(jī)功率的確定方法，確定了收縮段收縮曲線形態(tài)及具體尺寸，得到了完整的風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)中應(yīng)用了UG軟件進(jìn)行了三維建模，同時(shí)用Ansys CFX對流經(jīng)洞體的氣流進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：該風(fēng)洞可以在實(shí)驗(yàn)段生成穩(wěn)定的氣流來模擬車身外部凸出物及小比例模型在運(yùn)行過程中周圍的流場，實(shí)驗(yàn)段的最大氣流速度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本研究提出的風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可行。

油泥模型；小型風(fēng)洞；洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引 言

風(fēng)洞是用來研究氣流與機(jī)械設(shè)備或者運(yùn)輸車輛相互作用的裝置[1-3]。它可以用來模擬自然界的流場[4]。目前我國小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺大部分從國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴。因此，設(shè)計(jì)制作滿足使用需求的小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺具有現(xiàn)實(shí)意義。

受風(fēng)洞尺寸的限制，一般風(fēng)洞中模型多為縮比模型，但縮比模型試驗(yàn)必須要考慮雷諾數(shù)效應(yīng)(又稱尺度效應(yīng))，為保證雷諾數(shù)的不變，就必須提高試驗(yàn)風(fēng)速，這意味著風(fēng)機(jī)功率極大且很難實(shí)現(xiàn)[5]，為保證可行性，本實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)主要用來測量車身外部凸出物(如后視鏡，尺寸比例為1∶1)或其他適當(dāng)尺寸的非縮比模型的空氣動力學(xué)性能，因此，不必考慮雷諾數(shù)效應(yīng)，本實(shí)驗(yàn)臺也可用于小比例汽車油泥模型外部流場的定性分析或可視化演示。

本文詳細(xì)探討了一種小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺的洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺由一臺離心風(fēng)機(jī)提供氣流，氣流由穩(wěn)流段中的蜂窩器進(jìn)行整流，再經(jīng)收縮段加速后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段，最后流經(jīng)被測物體。

1 小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前風(fēng)洞的基本結(jié)構(gòu)形式有兩種：開路式風(fēng)洞和閉路式回路風(fēng)洞[6]。開路式風(fēng)洞又稱直流式風(fēng)洞，它直接從大氣中吸進(jìn)空氣，空氣流經(jīng)洞體后再排到大氣中去。閉路式風(fēng)洞又稱回流式風(fēng)洞，它有連續(xù)的空氣回路，氣流通過試驗(yàn)段后，經(jīng)過迂回路線再循環(huán)返回到進(jìn)氣口[7]。其中由于回路式的整體尺寸過大，拐角處倒流片制作與布置存在較大困難，導(dǎo)致空氣流向難以規(guī)整，同時(shí)該小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺將安裝煙霧系統(tǒng)，回流式的設(shè)計(jì)無法進(jìn)行良好的排煙，因此，本設(shè)計(jì)的洞體采用開路式結(jié)構(gòu)。

該小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)分為6個(gè)部分，沿氣流方向依次為風(fēng)機(jī)、大角度擴(kuò)散段、穩(wěn)流段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段和擴(kuò)散段，如圖1所示。一般實(shí)驗(yàn)段截面形狀有圓形、方形、三角形、橢圓形以及長方形，在相似的穩(wěn)流段和收縮比情況下，通過橢圓形截面的氣流最均勻，即均勻區(qū)所占比例最大，圓形次之，長方形再次之[8]。但長方形截面有以下優(yōu)點(diǎn)：一是長方形底面為水平面，便于放置、安裝模型；二是洞體側(cè)壁為平面，便于觀察窗的布置，且有利于氣流觀察和圖像采集。同時(shí)，長方形截面加工工藝性好、成本低，因此，本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段截面設(shè)計(jì)為長方形，其中長方形的高寬比為7∶10。

①風(fēng)機(jī)；②大角度擴(kuò)散段；③穩(wěn)流段；④收縮段； ⑤實(shí)驗(yàn)段；⑥擴(kuò)散段圖1 小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)Fig.1 Body structure of low speed mini wind tunnel

1.1 實(shí)驗(yàn)段的設(shè)計(jì)

本小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺中擬對小比例的油泥模型進(jìn)行試驗(yàn)分析，通過分析確定了小比例油泥模型可以簡化成尺寸為300 mm×100 mm×80 mm的立方體結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)資料[2]，實(shí)驗(yàn)段長度公式為：

L=2.0D～2.5D。

(1)

其中：D為實(shí)驗(yàn)段水力直徑。綜合試驗(yàn)中所遇到的可能情況，取實(shí)驗(yàn)段高D1=300 mm，由高寬比7∶10得出實(shí)驗(yàn)段寬度D2=420 mm，水力直徑計(jì)算公式為：

D=2[D1D2÷(D1+D2)]。

(2)

式中：S為橫截面的面積，mm2；C為橫截面的周長，mm。

將D1、D2代入公式(2)得D=350 mm，考慮實(shí)際情況，由公式(1)得L=750 mm，則實(shí)驗(yàn)段擬設(shè)計(jì)尺寸為750 mm×420 mm×300 mm，因?yàn)樾⌒惋L(fēng)洞針對汽車模型設(shè)計(jì)，寬度不需要很長，所以選擇正方形截面作為實(shí)驗(yàn)段的截面形狀。最后實(shí)驗(yàn)段實(shí)際尺寸優(yōu)化為750 mm×400 mm×400 mm。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)段框架采用角鐵搭建，在表面覆蓋鋼化玻璃，既有足夠的強(qiáng)度，又便于觀察被測物體周圍流場的狀態(tài)。

1.2 風(fēng)機(jī)流量及驅(qū)動電機(jī)功率的確定

低速風(fēng)洞運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，維持氣流流動的能量是由電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)葉輪提供的。氣流在風(fēng)洞管道中的能量耗散，主要表現(xiàn)為壓力下降。風(fēng)機(jī)的作用正是提高氣流的壓力。當(dāng)二者達(dá)到平衡時(shí)，風(fēng)洞便能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)[9]。該小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段設(shè)計(jì)風(fēng)速為120 km/h(約33.3 m/s，小于102 m/s，屬于低速)，可認(rèn)為該狀態(tài)下氣體不可壓縮。因此流量計(jì)算公式為：

Q=Sv。

(3)

式中：S為流體橫截面積，mm2；v為流體流速，m/s。所選風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量應(yīng)滿足公式：

Q1≥Qmax。

(4)

式中：Q1為風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量，m3/s；Qmax為實(shí)驗(yàn)段所需最大風(fēng)量，m3/s。由公式(3)可得實(shí)驗(yàn)段的Qmax為4.48 m3/s(約為1.61×104m3/h)。

為獲得較穩(wěn)定的氣流，擬選用離心風(fēng)機(jī)，由驅(qū)動電機(jī)通過帶傳動提供動力。理論上所選風(fēng)機(jī)最大流量大于4.48 m3/s(1.61×104m3/h)即可。為降低風(fēng)噪，同時(shí)保證有足夠的流量儲備，利于實(shí)驗(yàn)臺未來的功能擴(kuò)展，本設(shè)計(jì)選擇了一臺全負(fù)荷狀態(tài)下標(biāo)稱風(fēng)量為4×104m3/h(11.11 m3/s)的風(fēng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為940 r/min，出風(fēng)口尺寸為650 mm×600 mm。

相同風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和轉(zhuǎn)速關(guān)系見公式：

(5)

式中：Q2為風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行輸出的風(fēng)量，m3/s；n2為風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，m/s；n1為達(dá)到試驗(yàn)所需的最大風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，m/s。相同風(fēng)機(jī)下功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系見公式：

(6)

式中：P2為風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的功率，kW；P1為達(dá)到試驗(yàn)所需的最大風(fēng)量時(shí)風(fēng)機(jī)的功率，kW。聯(lián)立公式(4)、(5)、(6)得

(7)

由公式(7)可得本設(shè)計(jì)的P1≥4.10 km。

綜合電機(jī)實(shí)際規(guī)格，選擇5.5kW的三相交流異步電機(jī)，通過與電機(jī)匹配的交流變頻器，異步電動機(jī)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)在工作條件范圍內(nèi)的無極變速，從而改變風(fēng)速的大小，風(fēng)速可由風(fēng)速儀測定。

1.3 收縮段設(shè)計(jì)

(8)

該公式由理想不可壓軸對稱流動的結(jié)果推出。式中：D2為一半出口高或?qū)?；N為收縮比；L為收縮段的長度；X為收縮段的縱向位移的長度[12]。

由于收縮比大都在7～10，考慮到設(shè)計(jì)的小型低速風(fēng)洞主要用來分析汽車油泥模型，不需要很大的收縮比，因此選收縮比N為7，由公式：

(9)

式中：S2、S1分別為收縮段入口和出口的橫截面積，m2；D1為一半入口高或?qū)挕?/p>

L取300 mm，聯(lián)立公式(8)、(9)可得出風(fēng)洞收縮段的曲線如圖2所示。其中，X為洞體軸線方向尺寸。

圖2 風(fēng)洞收縮段曲線Fig.2 Contraction curve of wind tunnel

1.4 穩(wěn)流段設(shè)計(jì)

穩(wěn)流段通常是一個(gè)等截面管道，下游與收縮段相連，所以面積大小取決于收縮段的收縮比，由先前計(jì)算的收縮段的進(jìn)口截面半徑D=1 100 mm可知，穩(wěn)流段的截面尺寸為1 100 mm×1 100 mm，合適的穩(wěn)流段首先要保證可以安裝蜂窩器，并且還需要使氣流經(jīng)過蜂窩器和紗網(wǎng)后可以保持一段距離穩(wěn)定流動狀態(tài)。當(dāng)收縮比小于5時(shí)，長度為直徑的1.0～1.5倍；當(dāng)收縮比大于5時(shí)，長度為直徑的0.5～1.0倍[7]。因此穩(wěn)流段的長度取1 100 mm。

穩(wěn)流段中還安裝有蜂窩器等穩(wěn)流部件，可以對流場進(jìn)行梳理，提高流場的氣流質(zhì)量。蜂窩器有助于減小湍流[13]，它由許多六角形(或方形、或圓形)小截面管道組成，從氣流產(chǎn)生的阻力損失方面考慮，六角形蜂窩管的阻力損失最小，方形次之，圓形再次之[14]。考慮到加工方便，選取方形截面。隨著蜂窩長度的增加、孔口尺寸的減小，蜂窩器出流方向的一致性更好，湍流度降低。由試驗(yàn)結(jié)果確定蜂窩長度為0.075 m，蜂窩孔口尺寸為0.02 m時(shí)[15]，氣流質(zhì)量較好，同時(shí)確定蜂窩器的材質(zhì)為不銹鋼。

1.5 大角度擴(kuò)散段設(shè)計(jì)

試驗(yàn)表明，一般對于可壓縮流體擴(kuò)壓角控制在6°～7°以內(nèi)，不可壓縮流體擴(kuò)壓角應(yīng)控制在 8°～10°以內(nèi)，則氣流[16]不會產(chǎn)生分離。根據(jù)相關(guān)資料，為了防止氣流分離，擴(kuò)壓半角應(yīng)控制在3.5°以內(nèi)[17]，但對于低速風(fēng)洞，由于馬赫數(shù)很小，氣流可看作不可壓縮流體[18]。因此，本風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺采用9°的擴(kuò)壓角，由于大角度擴(kuò)散段的入口與風(fēng)機(jī)出口相連，大角度擴(kuò)散段的出口與穩(wěn)流段的進(jìn)口相連，角度確定的情況下可以得出穩(wěn)流段的長度L為1 700 mm。

1.6 擴(kuò)散段設(shè)計(jì)

由于擴(kuò)散段的作用是在氣流通過實(shí)驗(yàn)段后能降速增壓，減小對外界環(huán)境的干擾。參照大角度擴(kuò)散段的設(shè)計(jì)并進(jìn)行一定的調(diào)整，此處選取擴(kuò)壓角為12°，長度為1 550 mm。

2 洞體流場數(shù)值實(shí)驗(yàn)

對洞體內(nèi)部流體區(qū)域進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行流場模擬。因蜂窩板為薄片式結(jié)構(gòu)，主要起整流作用，對氣體流動產(chǎn)生的阻礙較小，但對模型網(wǎng)格劃分及計(jì)算影響太大，因此忽略。仿真模型采用速度進(jìn)口和壓力出口，進(jìn)口初始速度為14 m/s，出口初始壓力為0。仿真結(jié)果如圖3所示，實(shí)驗(yàn)段流速約為37.9 m/s，實(shí)驗(yàn)段中的模擬風(fēng)速高于理論設(shè)計(jì)風(fēng)速33.3 m/s，考慮到對蜂窩板的忽略，以及風(fēng)機(jī)出口截面流速的不均勻性，實(shí)際風(fēng)速會低于模擬風(fēng)速，而更接近設(shè)計(jì)風(fēng)速，故該小型低速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行。

圖3 風(fēng)洞流場仿真結(jié)果Fig.3 Flow field simulated results of wind tunnel

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種流場可視化的小型低速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺。通過設(shè)計(jì)計(jì)算得到了各段的結(jié)構(gòu)尺寸，確定了風(fēng)機(jī)功率，同時(shí)，應(yīng)用CFD軟件對風(fēng)洞內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的風(fēng)洞結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，該小型風(fēng)洞設(shè)計(jì)方法可行。設(shè)計(jì)的小型風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝性好、成本低的特點(diǎn)，能夠滿足日常教學(xué)性能測試和評估的需要。

[1]Aurelius L J，Rofail A W.Performance of Windtech’s slatted roof blockage tolerant boundary layer wind tunnel in 3D flow[R]，9th AWES Workshop，Townsville，12-13 July，2001.

[2]Pope S B.Turbulent Flows [M].Cambridge University Press，Cambridge，U.K.，2002.

[3]Ghorbanian K，Rsoltani M，Dehghanmanshadi M.Experimental investigation on turbulence intensity reduction in subsonic wind tunnels[J].Aerospace Science and Technology，2011，15(2)：137-147.

[4]Maurer T，Herrmann L，Gaiser T.A mobile wind tunnel for wind erosion field measurements [J].Journal of Arid Environments，2006，66(2)：257-271.

[5]龐加斌，劉曉暉，陳 力，等.汽車風(fēng)洞試驗(yàn)中的雷諾數(shù)、阻塞和邊界層效應(yīng)問題綜述[J].汽車工程，2009，7(31)：609-615.

[6]Bell J H，Hehta R D.Constraction design for small low-specd wind tunnds [R].Stand ford Vniversity，1998.

[7]張德超.汽車車身造型與結(jié)構(gòu)分析[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[8]伍榮林，王振羽.風(fēng)洞設(shè)計(jì)原理[M].北京：北京航空學(xué)院出版社，1985.

[9]張春娜，崔 靖，盧 彬.風(fēng)洞及風(fēng)洞風(fēng)機(jī)[J].科學(xué)與財(cái)富，2011(5)：169-170

[10]林超強(qiáng).矩形風(fēng)洞收縮段流場的計(jì)算和分析[J].空氣動力學(xué)學(xué)報(bào)，1991，9(4)：379-385.

[11]王文奎，石柏軍.低速風(fēng)洞洞體設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2008，36(5)：93-95.

[12]仇 健.基于CFD的汽車風(fēng)洞收縮段設(shè)計(jì)及流場品質(zhì)分析[D].湖南：湖南大學(xué)，2011.

[13]Quocy N.Designing，constructing，and testing a low-speed open-jet wind tunnel [J]，International Journal of Engineering Research and Applications.2014，4(2)：243-246.

[14]劉政崇.風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國宇航出版社，2005.

[15]王 怡，馬駿馳，周 宇，等.蜂窩器對送風(fēng)口特性影響的數(shù)值模擬研究[J].暖通空調(diào)HV&AC，2014，44(8)：85-89.

[16]張克危.流體機(jī)械原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[17]任 棟，席德科，白存儒，等.低速風(fēng)洞的消聲降噪改造設(shè)計(jì)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2010，24(4)：80-83.

[18]蔡 濤，施 璐.低速風(fēng)洞擴(kuò)壓段擴(kuò)壓角的優(yōu)化設(shè)計(jì)與討論[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2012(1)：7-13.

Study on Structure Design of Mini Car Wind-Tunnel

Gao Shenghan，Li Honggang*，Wang Guolong，Zhang Kun，Wu Zhaosu

(Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

In order to evaluate aerodynamic performances of external projections of car body and small proportion clay modeling for automobile prototypes，this study designed a low-speed and open-circuit small wind-tunnel with the visualization of the flow field.The designed tunnel used a centrifugal blower to accelerate air flow and the air speed in the test section of the wind tunnel was 120 km/h.The structural style of the mini wind-tunnel was selected，the calculation methods on the structural sizes of each section were given，and the determination methods on the blower flow rate and the motor power were determined.The shape and sizes of the curve of contraction section were obtained，and the full structure of the wind-tunnel body was completed.The design established a 3D solid model with UG，and process of air through the tunnel was simulated using Ansys CFX program.The simulation results showed that the mini wind-tunnel can form stable airflow in the test section to simulate the air around external projections of car body and small scale model，meanwhile，the top air speed in the test section reached the destination.It was concluded that design scheme of mini wind-tunnel structure was feasible.

Clay modeling；small wind-tunnel；structure design of tunnel body

2016-04-18

東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510225003)

高勝寒，本科生。研究方向：車輛工程。

*通信作者：李宏剛，碩士，副教授。研究方向：載運(yùn)工具功能創(chuàng)新。E-mail：lhg@nefu.edu.cn

高勝寒，李宏剛，王國龍，等.小型低速風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].森林工程，2016，32(6)：77-80.

V 211

A

1001-005X(2016)06-0077-04