徐新建， 胡光忠， 肖守訥， 蒲 凡， 鄒 亮

(1.四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000； 2.西南交通大學 牽引動力實驗室，成都 610031)

·儀器設備研制與開發(fā)·

實驗室用微小型二相流風洞流道設計

徐新建1， 胡光忠1， 肖守訥2， 蒲 凡1， 鄒 亮1

(1.四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000； 2.西南交通大學 牽引動力實驗室，成都 610031)

為了驗證風沙二相流風洞數值模擬計算高速列車在風沙環(huán)境下數值模擬的正確性,并對數值模擬結果進行修正，進行了風沙二相流風洞可行性驗證及風洞設計。本風洞設計主要通過數值模擬確定試驗列車模型按1∶100縮小,風速為15 m/s情況下風洞主要實驗流道裝置的最小尺寸。結果顯示,試驗段截面尺寸寬、高、長分別為300 mm×300 mm×600 mm時滿足對高速列車縮小模型二相流風洞試驗要求。仿真模擬數據與大氣環(huán)境下數值計算工況相差微小，數據沒有明顯失真。說明該尺寸可以應用于風動實驗裝置的搭建,為風洞初期設計提供了一種設計依據。

風洞； 二相流； 數值模擬； 實驗裝置

0 引 言

在抗側風高速列車的設計流程中，大風以及風沙耦合等工況下對列車安全性的影響成為關注的重點。同時鐵路建設的快速發(fā)展驅使鐵路線路向山區(qū)和沙漠邊緣地帶延伸,因此對沙漠鐵路的研究則更加具有必要性,而防風固沙措施作為沙漠鐵路的重要組成部分,也具有了較大的可研究性[1]。在大風作用下,尤其在新疆地區(qū)經常存在著惡劣的天氣狀況對高速列車安全運行存在著巨大的威脅[2]。因此,研究高速列車在風沙環(huán)境下的安全運行變的很有必要，但是只有少部分研究人員對風沙耦合下高速列車穩(wěn)定性進行系統(tǒng)的研究，而且基本都是在數值模擬的基礎上對列車安全性進行研究、評價，難以確定其數值模擬結果的正確性[3]。本文小型風洞的設計目的就是通過實驗的方法驗證數值模擬方法的正確性，再通過正確的數值模擬方法分析高速列車在風沙中運行的安全性。

現有風洞設計主要依賴于設計者的經驗，隨著CFD軟件的發(fā)展，應用CFD軟件指導風洞流道的設計具有新的實用價值[4-6]。Moonen等[7-8]針對實驗尺度的Jules Verne 全天候風洞，采用了一定的近似簡化進行了數值模擬，計算結果與試驗數據的對比證明了整體模擬具有一定的合理性。代焱等[9]在聲學風洞的設計和研究中進行了近似整體模擬，研究結果對于聲學風洞的設計具有借鑒價值。盡管現階段風洞設計無法完全依靠CFD數值模擬，但是在設計階段計入多種影響因素對風洞流道進行準確的數值模擬對流道的設計具有重要的指導意義。

1 計算方法

風洞設計目的是為了研究高速列車在強側風及風沙環(huán)境下的運行穩(wěn)定性。首先確定需要計算的高速列車模型的尺寸，長、寬、高分別為79 mm、30 mm、40 mm。然后通過試驗模型的尺寸來確定試驗用風洞的尺寸，使設計的風洞具有合理的尺寸，保證風洞實驗計算的實用性。本文采用CFD軟件在15 m/s風沙條件下,在無限環(huán)境與有限環(huán)境多種工況下多次計算高速列車模型在強側風作用下的壓力、速度變化值[10]。以無限環(huán)境下，壓力、速度的計算值為標準分析有限環(huán)境下壓力、速度的值。根據這兩個值的相似度來確定風洞模型的尺寸。

2 風洞高度的確定

為了確定風洞模型最佳的高度，即滿足實驗數據不失真,風洞實驗數據具有參考性的前提下有最小的風洞模型尺寸。通過流體力學軟件進行多次數值模擬后擬合出速度和壓力變化曲線。由圖1可以看出,風洞模型高度<300 mm時，風洞的最大、最小壓力呈現出了明顯的上升和下降趨勢。其原因主要是因為列車模型的存在與風洞壁之間會產生相互作用，而在風洞高度為300 mm時風洞壁與列車模型之間的相互作用效果對實驗數據的影響已經開始變得明顯[11]。再由速度隨模型尺寸變化曲線圖可以看出,隨著風洞尺寸的減小,風洞高度在小于400 mm時風洞內速度開始發(fā)生劇烈變化，但是在高度為300 mm的地方速度僅比無限環(huán)境增加1.1 m/s，相對于我們的實驗數據要求，此誤差是滿足的,因此確定風洞的高度為300 mm。

圖1 風洞高度、壓力與速度變化曲線

3 寬度校核

由上面確定風洞的高度，然后在風機功率、設備美觀和穩(wěn)定的考慮,初步確定風洞的寬度為300 mm。同時運用Fluent計算速度為15 m/s情況下，無限寬度壓力與速度的大小與在300 mm×300 mm風洞尺寸下壓力與速度的大小進行比較[12]。通過比較得到設計寬度最大速度為17.61 m/s，壓力為137.1 Pa。無限寬度最大速度17.21 m/s，壓力為131.1。由圖2數值模擬結果可以看出,縮小的風洞與野外空曠環(huán)境下的壓力速度的變化值均小于1%，可以滿足實驗室對野外環(huán)境模擬的要求，所以風洞截面設計為300 mm×300 mm是滿足試驗要求的。

圖2 無限寬與300 mm環(huán)境下壓力與速度的比較

4 試驗段長度的確定

由于高速列車屬于細長物體，在側風作用下高速列車的后方會產生一個細長的渦[13]，為了能使渦充分的發(fā)展并且能方便地觀察渦的存在，同時研究渦的變化規(guī)律對細長物體的影響。在確定了風動截面后,下一步就是確定試驗段的長度。根據后面的湍流區(qū)域的長度確定試驗段的長度。由圖3可以看出，湍流區(qū)域的存在。再根據計算區(qū)域的長度及云圖比例確定湍流區(qū)域長度為415 mm。所以增加裕量后將試驗段長度確定為600 mm。

圖3 列車縮小模型在風洞中的壓力、速度云圖，流線圖

5 二相流混合入口的選擇

實驗設備的設計主要是為多相流的模擬而服務，因此,在設計之初不得不考慮次相加入口的布置位置。通過多次模擬對比之后最終確定將固體相與氣相混合點布置在一元收縮段與穩(wěn)定段的連接處。由圖4看出，此處在沒有添加混合口時就處于流速變化點，流場混亂，流速大。這正好符合對次相添加點的要求。同時在一元收縮段與穩(wěn)定段之間加一遮風板可以擴大負壓區(qū)的范圍，使氣固二相混合更加充分[14]。①流場混亂適合主相與次相的充分混合，且可以減弱次相添加而對流場的影響。②大的流速可以加快流場由亂流變?yōu)閷恿鞯乃俣?。通過數值模擬計算，可以驗證在次相入口處得到了一個負壓區(qū)，方便將次相均勻地散入風洞，實現與主相的混合，且不至于發(fā)生由于風洞中的壓力而出現氣體泄漏的情況。

圖4 二相流混合口壓力與速度云圖

由圖4可以看出，由于次相入口的存在，其下方造成了一個速度、壓力都比較高的的區(qū)域，但是在通過次相入口一段距離后流場又恢復正常的壓力，速度也趨于穩(wěn)定。所以次相入口既可以滿足次相的添加又不會對流場產生太大影響，次相入口選擇是合理的。

6 實驗裝置確定

此試驗裝置主要用于氣固二相流實驗，氣體中存在高速流動的固體，如果試驗裝置太復雜會影響二相流的流動，造成固相過早沉積，同時還會出現固相清理困難的問題，故將風洞設計為直流式風洞[15]。由圖5可見,風機從左側吹入高速空氣，經一元收縮段1加速之后在次相入口處流經遮風板，在遮風板后方形成一處負壓區(qū)。次相由次相入口2進入流道入高速流動的負壓區(qū)，經主次相充分混合后，在穩(wěn)定段3逐漸進入層流狀態(tài)，然后經二元收縮段4再次加速之后進入試驗段5，試驗段流出的高速流體經擴散段6擴散減速之后排出。

1-一元收縮段, 2-次相入口, 3-穩(wěn)定段, 4-二元收縮段,5-試驗段, 6-擴散段

7 結 語

試驗模型對風洞尺寸有要求，在設計具體風洞尺寸時要考慮試驗模型對風洞尺寸的影響，15 m/s風沙對列車影響的風洞試驗中列車按1∶100縮小，風洞最小尺寸為300 mm×300 mm×600 mm。

本文通過數值模擬計算的方法指導風沙二相流試驗風洞的尺寸的確定，對微小型專用試驗室風洞的設計提出了一種新方法，具有一定的現實指導意義。

[1] 許錢通. 集二鐵路沙漠區(qū)防風固沙措施防護效果研究[D]. 北京：北京交通大學, 2015.

[2] 許良中, 梁習鋒, 劉堂紅,等. 風沙流對列車車窗玻璃破壞能力的試驗測試[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2014(7):2489-2455.

[3] 薄天利, 鄭曉靜. 防沙柵欄風洞實驗的數值模擬[J]. 蘭州大學學報(自然科學版), 2005, 41(5):97-101.

[4] 林建忠, 石 興, 余釗圣. 二維氣固兩相混合層中固粒對流場影響的研究[J]. 應用數學和力學, 2000, 21(8):771-776.

[5] 周 芳, 祁海鷹, 由長福,等. 有限空間風沙流動數值模擬及邊界條件問題[J]. 清華大學學報(自然科學版), 2004, 44(8):1079-1082.

[6] 代 燚, 陳作鋼, 馬 寧,等. 低速風洞內部流場數值模擬[J]. 空氣動力學學報, 2014, 32(2):203-208.

[7] Moonen P, Blocken B, Roels S,etal. Numerical modeling of the flowconditions in a closed-circuit low-speed wind tunnel[J]. Journal of Wind Engineering andIndustrial Aerodynamics, 2006, 94: 699-723.

[8] Moonen P, Blocken B, Carmeliet J.Indicators for the evaluation of wind tunnel test section flow quality and application to a numerical closed-circuit wind tunnel[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2007,95:1289-1314.

[9] 李啟良, 張志剛. 計算流體力學在氣動-聲學風洞設計中的應用. 空氣動力學學報, 2009,27(3):373-377.

[10] 張 鈺, 王 興, 陳志敏. 聲學風洞的設計與仿真. 計算機仿真, 2012,29(6):93-96,264.

[11] 李 馳, 黃 浩, 孫兵兵. 風沙環(huán)境下沙漠路基風蝕破壞數值模擬研究[J]. 巖土力學, 2010(s2):378-382.

[12] 馬 駿, 周 岱, 李華鋒,等. 大跨度空間結構抗風分析的數值風洞方法[J]. 工程力學, 2007, 24(7):77-85.

[13] Shao X M, Wan J, Chen D W,etal. Aerodynamic modeling and stability analysis of a high-speed train under strong rain and crosswind conditions[J]. Journal of Zhejiang University(SCIENCE A), 2011, 12(12):964-970.

[14] 虞擇斌, 劉政崇, 陳振華,等. 2 m超聲速風洞結構設計與研究[J]. 航空學報, 2013,34(2):197-207.

[15] 劉慶寬. 多功能大氣邊界層風洞的設計與建設[J]. 實驗流體力學,2011,25(3):66-70.

TheDesignofMiniatureTwo-phaseFlowWindTunnelforLaboratoryTest

XüXinjian1,HUGuangzhong1,XIAOShoune2,PUFan1,ZOULiang1

(1. School of Mechanical Engineering, Sichuan University Science & Engineering, Zigong 643000, Sichuan, China; 2. Southwest Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031, China)

In order to verify the accuracy of numerical simulation of the wind tunnel of the high-speed train in the wind-sand environment, and further to correct the numerical simulation, a wind tunnel of the two-phase flow is designed to validate the correctness of the design results. The model of the test train is reduced by the proportion of 1∶100, and wind speed is 15 m/s. The results show that when the wind tunnel test section is 300 mm×300 mm×500 mm, the test requirement can be satisfied. The theoretical data are similar to the numerical calculation in the atmospheric environment, and the data are not obviously distorted. The size can be used to build pneumatic experimental device. In this paper, a method for determining the size of the special wind tunnel by using the simulation software is established. It provides a basis for the design of wind tunnel.

wind tunnel; two-phase flow; numerical simulation; experimental device

TH 122

A

1006-7167(2017)09-0042-04

2016-12-15

國家自然科學基金資助項目(51275432)；四川理工學院研究生創(chuàng)新基金項目(y2016002)

徐新建(1991-)，男，內蒙古呼和浩特人，碩士生，主要研究方向：高速列車空氣動力學。Tel.:13183937866;E-mail:1064791635@qq.com

胡光忠(1972-),男，四川南江人，博士，教授，主要研究方向：機械設計與理論。Tel.：13990004352;E-mail：568092170@qq.com